Brevet FR2718074A1 — publié le 19951006

PROCEDE DE FABRICATION D ' UNE PIECE COMPLEXE EN MATERIAU COMPOSITE DESCRIPTION L'invention ressortit à un procédé de fabrication d'une pièce complexe en matériau composite. Des pièces telles les carters formés d'une enveloppe sensiblement cylindrique renforcée par des bras internes radiaux sont difficiles à construire en matériau composite à cause de la nécessité de raccorder correctement les fibres du réseau qui forme l'armature du matériau aux jonctions entre l'enveloppe et les bras. Dans de nombreux procédés connus, on élude ce problème en construisant séparément les éléments à leur dimension définitive et en les collant ensemble, ou encore en interposant une pièce de fixation mécanique aux jonctions. La résistance inhérente aux pièces d'un seul tenant est perdue dans les deux cas. On a aussi décrit un certain nombre de procédés de drapage dans lesquels le réseau de fibres est modelé à la forme de la pièce qu'on veut obtenir, en drapant des bandes de fibres autour d'un gabarit ou en injectant des fibres dans un moule, après quoi la résine est versée dans les interstices du réseau de fibres et durcit. On obtient alors un réseau de fibres ininterrompu, mais ce genre de technique n'est employé que pour des pièces de structure simple, telles que des plaques, des profilés à section constante ou des enveloppes lisses. L'invention a pour sujet un procédé qui permet de construire commodément des pièces de forme complexe et son objet principal est de construire séparément les éléments qui la composent avant de les assembler tout en veillant à la continuité ou à la bonne jonction du réseau de fibres. Plus précisément, on construit des structures fibreuses à la forme des éléments, on y injecte de la résine hormis en des parties libres situées aux jonctions des éléments entre eux, et on durcit la résine de façon connue. On joint ensuite les parties libres des structures fibreuses pour former des assemblages, et on injecte de la résine dans les assemblages avant de la durcir. En maniant les éléments séparés déjà solides, on a une grande facilité pour disposer les extrémités libres des fibres de la façon qui convient. On peut assembler les parties libres des fibres des éléments à joindre en les superposant, en les enchevêtrant ou en les aboutant après les avoir mises en couches qu'on coupe en dégradé. On a toute liberté pour ajouter des structures fibreuses aux zones de jonction afin de renforcer les zones de jonction avant de couler la résine et de la durcir. L'étape cruciale du procédé est donc le maintien de parties libres des réseaux de fibres dont le reste est noyé dans la résine. Plusieurs solutions satisfaisantes sont fournies pour parvenir à ce résultat : on verra qu'il suffit d'établir une barrière à la coulée de résine, cette barrière pouvant être de nature chimique ou thermique pour obliger la résine coulant jusque-là à se solidifier, ou mécanique pour arrêter la coulée. L'invention va maintenant être décrite de façon plus précise à l'aide des figures suivantes la figure 1 représente la pièce finie, la figure 2 représente un mode de superposition de bandes de fibres, la figure 3 représente un mode de tissage d'enveloppe, la figure 4 évoque l'assemblage des éléments, la figure 5 représente une barrière chimique à la coulée de résine, le réseau de fibres étant vu de dessus, la figure 6 représente une barrière mécanique à la coulée de résine, le réseau de fibres étant vu suivant l'épaisseur, la figure 7 représente deux barrières thermiques parallèles à la coulée de résine, le réseau de fibres étant vu suivant l'épaisseur, la figure 8 représente un autre genre de barrière chimique, la figure 9 représente un assemblage de fibres par enchevêtement des couches, la figure 10 représente un assemblage de fibres par superposition, et la figure 11 représente un assemblage de fibres à boutonnière et avec un renfort. La figure 1 représente un carter à construire, qui est composé d'une enveloppe extérieure 1, d'une enveloppe intérieure appelée moyeu 2 qui délimite avec la précédente un espace annulaire, et encore de bras 3 radiaux joignant les enveloppes 1 et 2. I1 faut d'abord arranger des structures fibreuses sèches pour construire ces éléments du carter, et les enveloppes 1 et 2 peuvent être constituées de bandes de fibres 4 disponibles dans le commerce et superposées par couches comme on le représente à la figure 2. I1 est commode et avantageux que les discontinuités 5 entre les bandes 4 soient décalées pour chaque couche, pour éviter d'obtenir des zones affaiblies. Le drapage autour d'un noyau 6 se fait sans difficultés. Ou encore, on peut d'après la figure 3 utiliser une fibre 7 unique obtenue d'une bobine non représentée et qu'on enroule autour du noyau 6, qu'on prévoit ici tournant. Notamment dans cette réalisation, l'enveloppe 1 ou 2 peut être pourvue d'élargissements 8 aux extrémités axiales afin de la guider plus commodément dans l'outillage d'injection de résine, qui est constitué de pièces de moulage délimitant un espace à la forme de l'enveloppe et dans lequel la structure fibreuse est introduite. Le tissu obtenu comprend alors un fil de trame unique qu'on peut éventuellement renforcer par des bandes dont les fibres sont orientées dans le sens de chaîne (selon l'axe de l'enveloppe 1 ou 2). Les élargissements 8 sont obtenus simplement en entourant le noyau 6 de coquilles amovibles qui l'épaississent aux endroits de ces élargissements. Les bras 3 peuvent être formés selon la méthode de la figure 2, c'est-à-dire en superposant des bandes 4 et en les coupant à la forme souhaitée. Les structure fibreuses obtenues sont ensuite disposées dans des outillages dans lesquels de la résine est coulée puis chauffée selon un principe connu pour se solidifier. On obtient une pièce solide en matériau composite dont les fibres constituent l'armature. L'originalité de l'invention consiste à restreindre la coulée en laissant subsister des zones sèches correspondant à des parties libres 9 sensiblement circulaires ou elliptiques sur la surface des enveloppes 1 et 2 et aux extrémités 10 des ébauches des bras 3. Les fibres sont apparentes à ces endroits. On voit à la figure 4 que les extrémités 10 des bras 3 seront jointes aux parties libres 9 de l'enveloppe 2 ; les autres extrémités 10 seront de même jointes aux parties libres 9 de l'enveloppe 1. I1 existe un certain nombre de moyens pour empêcher la résine de couler jusqu'à ces zones. Une solution, illustrée à la figure 5, consiste à verser du produit durcisseur pour former un cordon 11 au périmètre des parties libres 9 ou à la limite des extrémités 10. Le durcisseur peut concrètement être appliqué au pinceau par couches successives jusqu'à ce que toute la profondeur du tissu soit imprégnée. Dès que la résine atteint le cordon 11, elle le contourne mais durcit en l'atteignant et ne pénètre donc pas à l'intérieur. Il faut bien entendu que le cordon 11 s'étende sur toute l'épaisseur de la structure fibreuse. Au lieu d'un durcisseur, on pourrait utiliser un autre produit tel qu'un adhésif, qui subsiste après la fabrication de la pièce. Il est responsable d'une rupture de la nature du matériau de remplissage sur le produit fini mais n'affaiblit que peu la pièce, dont la résistance est conférée essentiellement par les fibres. Le même effet de barrière à la coulée peut être créé par un pincement de la structure fibreuse en utilisant (figure 6) des plaques 12 à la surface des matrices 13 d'un outillage habituel des côtés de la pièce et dont la fonction est de mettre la structure fibreuse à la forme souhaitée et de délimiter le volume de coulée. Cependant, les plaques 12 réduisent localement la distance des matrices 13 et resserrent les fibres jusqu'à les faire se toucher sans jeu ou presque pour opposer un obstacle infranchissable à la résine. Les plaques 12 s'étendent devant les limites des zones sèches ou sur toute la surface de ces zones. On peut encore remplacer sur les matrices 13 les plaques 12 par des moyens de chauffage 14 devant les limites des zones sèches 9 et 10, ce que la figure 7 représente. Le chauffage de la résine qui coule devant ces moyens 14 est suffisamment énergique pour conclure le durcissement avant que la résine n'ait pu les dépasser. Enfin, un tampon de cire 15 peut être coulé en préliminaire à l'endroit des zones sèches (figure 8). On laisse la résine couler librement ensuite. Après le durcissement, un chauffage supplémentaire fond la cire 15 et dégage ainsi les zones sèches. On procède donc selon la technique de moulage à la cire perdue. On dispose donc d'une assez grande liberté pour joindre les fibres des parties libres 9 et des extrémités 10 en fonction des situations concrètes déterminées en particulier par la surface ou la longueur de ces zones sèches et par le mode de tissage ou de drapage des fibres. Il est par exemple possible de les enchevêtrer ou de les entremêler, c'est-à-dire de faire s'entrecroiser des extrémités de fibres sur des jonctions 16 communes (figure 9), ce qui est très facile si les fibres sont disposées en couches superposées qu'on fait alterner. Pour la pièce de la figure 1, où les couches de fibres sont perpendiculaires aux raccords, les jonctions 16 peuvent avoir une section triangulaire, les fibres des extrémités 10 étant divergentes et celles des parties libres 9 étant recourbées. On a figuré par 29 les moulures de résine solidifiée qui terminent les zones sèches. Ou encore, une superposition des fibres des parties 9 et 10 est possible. C'est ce qu'on représente sur la figure 10 où plusieurs couches de fibres de la partie libre 9 sont continues et tendues. On divise alors le panache des fibres de l'extrémité 10 pour en former deux pans divergents 17 et 18 qu'on plaque sur des couches continues la partie libre 9. Ici, la superposition n'est que partielle et un compromis est fait avec la méthode précédente, car d'autres couches de fibres de la partie libre 9 ont été coupées et leurs extrémités libres sont enchevêtrées avec celles des pans 17 et 18. Dans ce cas comme dans les autres, les matrices 19 et 20 d'un autre outillage maintiennent les fibres des zones sèches à la forme souhaitée. L'outillage 19 du côté de la partie libre 9 de l'enveloppe 1 ou 2 est ici une plaque à la courbure locale de l'enveloppe, alors que la matrice 20 du côté de l'extrémité 10 du bras 3 est un tube muni d'une base 21 qui comprime les pans 17 et 18 contre la partie libre 9. Un troisième mode d'assemblage principal est possible. Il consiste à couper les fibres des parties libres 9 et 10 en dégradé, selon des couches 22 superposées qui peuvent correspondre aux bandes 4 de drapage. Dans la réalisation représentée, une union intime des parties libres 9 et 10 est obtenue en creusant la partie libre 9 en boutonnière, c'est-à-dire en épargnant quelques couches 22 de la partie libre 9 du côté opposée au bras 3, puis en coupant les couches 22 suivantes, mais de moins en moins largement vers le côté du bras 3, de sorte que la dernière couche 22 n'est coupée que d'une surface correspondante à la section du bras 3 et qu'une cavité large et de petite ouverture est créée dans la partie libre 9, qu'on emplit par les couches 22, coupées de façon correspondantes, de l'extrémité 10 courbée comme précédemment en pans 17 et 18. Des couches de fibres de renfort 23 peuvent être ajoutées autour du bras 3 et sur les couches 22 pour épaissir l'assemblage à la jonction. Après avoir réalisé la jonction des fibres des zones sèches, on procède à une nouvelle coulée de résine et à son durcissement aux assemblages pour obtenir la pièce définitive et unitaire. REVEND I CAT IONS 1. Procédé de fabrication d'une pièce complexe, composée d'éléments joints, en matériau formé de fibres noyées dans de la résine durcie, caractérisé en ce qu'il consiste à construire des structures fibreuses à la forme des éléments, à injecter de la résine dans des structures fibreuses hormis à des zones sèches et à durcir la résine, puis à joindre les zones sèches des structures fibreuses en formant des assemblages, et à injecter puis durcir de la résine dans les assemblages. 2. Procédé de fabrication d'une pièce complexe selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce est un carter dont les éléments comprennent au moins une enveloppe (1, 2) et des bras (3) joints par des bouts (10) à des parties de raccord (9) de l'enveloppe, et les zones sèches de la structure fibreuse comprennent lesdits bouts et lesdites parties de raccord. 3. Procédé de fabrication d'une pièce complexe selon la revendication 2, caractérisé en ce que la structure fibreuse de l'enveloppe, qui est sensiblement cylindrique, est composée d'enroulements d'une seule fibre. 4. Procédé de fabrication d'une pièce complexe selon la revendication 2, caractérisé en ce que la structure fibreuse de l'enveloppe, qui est sensiblement cylindrique, est composée de bandes superposées (4) se refermant par des lignes de joint (5) décalées. 5. Procédé de fabrication d'une pièce complexe selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les zones sèches (9, 10) sont délimitées par une barrière de nature chimique (11, 15). 6. Procédé de fabrication d'une pièce complexe selon la revendication 5, caractérisé en ce que la barrière est formée d'une addition de durcisseur dans la résine. 7. Procédé de fabrication d'une pièce complexe selon la revendication 5, caractérisé en ce que la barrière est formée d'un produit fusible (15). 8. Procédé de fabrication d'une pièce complexe selon la revendication 5, caractérisé en ce que la barrière est formée d'un adhésif. 9. Procédé de fabrication d'une pièce complexe selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les zones sèches sont délimitées par un pincement des structures fibreuses (figure 6). 10. Procédé de fabrication d'une pièce complexe selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les zones sèches sont délimitées par une barrière de chauffage (14). 11. Procédé de fabrication d'une pièce complexe selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les zones sèches des structures fibreuses sont jointes par superposition (figure 10). 12. Procédé de fabrication d'une pièce complexe selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les zones sèches des structures fibreuses sont jointes par enchevêtrement (figure 9). 13. Procédé de fabrication d'une pièce complexe selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les zones sèches des structures fibreuses sont jointes par aboutement de couches superposées (22) et coupées en dégradé. 14. Procédé de fabrication d'une pièce complexe selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les parties libres des structures fibreuses sont jointes en boutonnière (figure 11). 15. Procédé de fabrication d'une pièce complexe selon la revendication 2, caractérisé en ce que des structures fibreuses d'épaississement (23) sont ajoutées sur les zones sèches des structures fibreuses après avoir joint ces zones sèches et avant d'avoir injecté la résine.