Brevet FR2832668A1 — publié le 20030530

(13). PROCEDE DE FABRICATION D'UN ENSEMBLE EN MATERIAU COMPOSITE ET VOILURE ET ELEMENT STABILISATEUR D'AERONEF OBTENUS PAR CE PROCEDE DESCRIPTION Domaine technique L' invention concerne principalement un procédé permettant la fabrication d'une partie ou de la totalité d'un ensemble en matériau composite comportant au moins deux zones dont les directions principales forment entre elles un angle non singulier, c'est-à dire un angle sensiblement différent de 0 et de-180 , en mettant en _uvre la technique du drapage en continu. L' invention concerne également une voilure dacronef et un élément stabilisateur tel qu'une gouverne d'aéronef, obtenus par ce procédé. Dans l' ensemble du texte, l 'expression "direction principale" désigne la direction de plus grande longueur de la zone considérce et/ou la direction des efforts principaux, c'est-à-dire par exemple la direction correspondant à l'axe longitudinal de cette zone lorsqu'elle possède un tel axe. Etat de la technique De façon connue, lorsqu'un ensemble en matériau composite comprend au moins deux zones dont les directions principales font entre elles un angle non singulier, on réalise d r abord chacune desdites zones séparément l'une de l'autre. On procède ensuite à l 'assemblage des différentes pièces par des moyens mécaniques tels que des éclisses ou équivalents. Un tel assemblage est souvent pénalisant. En effet, il entraîne presque systématiquement des pergages des pièces à assembler. Ces pergages amènent des concentrations de contraintes qui nécessitent un épaississement local de la pièce et se traduisent donc par un alourdissement de celle-ci. De plus, du fait que les matériaux composites sont souvent réalisés à partir de fibres de carbone et que les fixations mécaniques comprennent fréquemment des éléments métalliques, de nombreuses précautions doivent être prises lors de l 'assemblage afin d'éviter la formation d'un couple galvanique carbone-métal qui serait source de corrosion. Un autre problème posé par un tel assemblage concerne l'accessibilité nécessaire pour réaliser la jonction de toutes les pièces. Cette accessibilité est parfois difficile, voire impossible. Les transferts d' efforts entre les différentes pièces dans la zone de jonction peuvent aussi poser différents problèmes. Ainsi l' emplacement des organes mécaniques assurant la jonction peut entraîner, par exemple, un déport de la ligne neutre. De surcroît, la nocessité d' assembler les pièces réalisées par drapage est source de surcoût. En effet, elle nécessite une main d'_uvre supplémentaire, un usinage de précision de l' ensemble des pièces, le renforcement précité des pièces, etc.. De plus, certains procédés de fabrication de matériaux composites, notamment des procédés consistant à empiler des plis, peuvent entraîner des tolérances d'épaisseur incompatibles avec les côtes dimensionnelles souhaitées. Lorsque des côtes doivent être respectéss avec des tolérances plus strictes que celles permises par lesdits procédés, notamment lorsque les pièces fabriquées doivent être ajustées entre elles ou avec d'autres pièces, une solution connue consiste à aj outer des plis supplémentaires appelés "plis morts" et à usiner ces derniers de façon à obtenir les côtes dimensionnelles souhaitées. Cette solution présente toutefois des inconvénients: surcoût, risque dendommagement des pièces lors des manipulations d'usinage, etc.. De façon connue, le drapage d'une pièce en matériau composite consiste à empiler des nappes de fibres longues, telles que des fibres de carbone, de façon telle que les fibres des différentes nappes 1S soient orientées selon des directions différentes. A titre d'exemple, les fibres des différentes nappes constituant une même pièce peuvent être orientées selon quatre directions différentes. En prenant pour référence la direction principale de la pièce, ces directions sont, par exemple, 0 , +45 , -45O et 90 . Le pourcentage de fibres correspondant à chaque direction est adapté afin d'obtenir les caractéristiques souhaitées pour la pièce ainsi réalisée. Touj ours à titre d'exemple, une pièce en matériau composite de conception classique peut ainsi comporter 50 de fibres dans la direction 0 , 20% de fibres dans la direction +45 , 20% de fibres dans la direction -45 et 10\ de fibres dans la direction 90 . Bien entendu, ces différentes valeurs ne sont données qu'à titre d'exemple. Ainsi, les flux d'efforts et la géométrie de la pièce peuvent conduire à choisir d'autres directions de drapage telles que, par exemple, 0 , +30 et -30 et/ou +60 , -60 et 90 par rapport à la direction principale de la pièce. Exposé de l' invention L' invention a principalement pour objet un procédé de fabrication d'un ensemble en matériau composite comprenant au moins deux zones dont les directions principales forment entre elles un angle non singulier, dans lequel le drapage est effectué de façon continue entre lesdites zones, c'est-à-dire sans qu'il soit nécessaire d'avoir recours à des moyens d'assemblage mécanique supplémentaires. Conformément à l'invention, ce résultat-est obtenu au moyen d'un procédé de fabrication dune pièce en matériau composite comportant au moins deux parties présentant des directions principales formant entre elles un angle sensiblement différent de 0 , dans une zone de jonction entre lesdites parties, le procédé comprenant, pour chacune desdites parties de la pièce, une étape de drapage en continu dau moins une nappe, selon des repères de drapage préétablis comportant une direction 0 et au moins une autre direction + , caractérisé en ce qu'on choisit les repères de drapage dans chacune desdites parties de façon que les directions 0 de chaque repère fassent entre elles un angle d' environ 180 - et on réalise un drapage de ladite nappe en continu dans la zone de jonction. En permettant de réaliser le drapage de façon continue entre les différentes parties de la pièce, pour au moins certaines des nappes, ce procédé évite le recours à un assemblage ultérieur de ces parties. Cela permet de supprimer les éléments de jonction (éclisses, etc.) et les renforts dans la zone de jonction. La pièce est donc allégée. De plus, les caractéristiques aérodynamiques de la pièce sont améliorées étant donné que la perturLation résultant de la présence d'un élément de jonction est supprimée, sans qu'il soit nécessaire de noyer l'élément de jonction dans la structure comme l'enseigne l'art antérieur. En outre, les coûts et le temps de fabrication sont réduits puisque les opérations d'assemblage sont évitées. Enfin, lorsque les différentes parties de la pièce doivent être reliées entre elles de manière étanche, par exemple lorsque la pièce est une aile d'avion utilisce comme réservoir de carturant, la réalisation du drapage de façon continue permet de supprimer tout problème d'étanchéité. Dans le cas o chacun des repères de drapage comporte une direction 0 , une direction -45 et une direction +45 , on choisit lesdits repères de façon que les directions 0 fassent entre elles un angle d' environ 135 . Dans le cas o chacun des repères de drapage comporte une direction 0 , une direction -30 et une direction +30 , on choisit lesdits repères de façon que les directions 0 fassent entre elles un angle d' environ 120 . Enfin, dans le cas o chacun des repères de drapage comporte une direction 0 , une direction -60 et une direction +60 , on choisit lesdits repères de fac,on que les directions 0 fassent entre elles un angle d' environ 60 . Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, on oriente la direction 0 de chaque repère de drapage sensiblement parallèlement à la direction principale des efforts prévus pour être appliqués sur la partie correspondante de la pièce. Dans ce mode de réalisation, les deux parties de la pièce forment entre elles un angle égal à 180 - ou proche de cette valeur. Selon une variante de réalisation, on oriente la direction 0 de chaque repère de drapage sensiblement parallèlement à un bord extérieur de la partie correspondante, ledit bord extérieur étant orienté sensiblement selon la direction principale de ladite partie. Par exemple, lorsque la pièce est une aile d'avion, la direction 0 peut être celle du bord avant ou du bord arrière du caisson de voilure, ou une direction voisine. Dans une autre variante de réalisation de linvention, on oriente la direction 0 de chaque repère de drapage se lon une direct ion intermédiaire entre deux bords extérieurs de la partie correspondante, ladite direction intermédiaire étant orientée sensiblement selon la direction principale de ladite partie. Dans une autre variante de réalisation de l 'invention, la direction 0 de chaque repère de drapage peut dépasser les limites angulaires définies dans la variante précédente comme étant les bords extérieurs de la partie correspondante. Ce dépassement des limites peut notamment permettre de réaliser des drapages anisotropes et/ ou de fabriquer des pièces ayant des propriétés d'aéro-élasticité qui peuvent être nécessaires, selon les déformations souhaitées desdites pièces, lorsque celles-ci sont soumises à des efforts. Dans encore une autre variante de réalisation de l'invention, la pièce est fabriquée par enroulement de fibres et/ou de nappes autour de ladite pièce en cours de fabrication L' invention a aussi pour objet une aile d'aéronef et un élément stabilisateur d r aéronef obtenus par ce procédé. Brève description des dessins - -. On décrira à présent différents modes de réalisation de l'invention, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est une vue de dessus illustrant schématiquement le drapage en continu, selon des directions 0 , -45 , +45 , d'une pièce présentant deux parties dont les directions principales forment entre elles un angle non singulier, conformément à l 'invention; - la figure 2 est une vue de dessus comparable à la figure 1, illustrant l 'application du procédé à la fabrication d'une voilure d'aéronef, dans le mode de réalisation préféré de l' invention o les directions 0 du drapage dans chacune des ailes correspondent à la direction principale des efforts appliqués sur la voilure; - la figure 3 est une vue comparable à la figure 2, illustrant une variante de réalisation du procédé selon l'invention, dans laquelle les directions 0 du drapage dans chacune des ailes correspondent à la direction du bord avant du caisson de voilure dans chacune des ailes; - la figure 4 est une vue comparable aux figures 2 et 3, illustrant une autre variante de réalisation du procédé selon l' invention, dans laquelle les directions 0 du drapage dans chacune des ailes correspondent à la direction du bord arrière du caisson de voilure dans chacune des ailes; et - la figure 5 est une vue en perspective qui illustre schématiquement la fabrication d'une pièce conformément à l' invention, en mettant en _uvre les techniques de l'enroulement filamentaire ou en nappes. Description détaillee de modes de réalisation préférés de l' invention Comme l'illustre schématiquement la figure 1, l' invention concerne la réalisation en une seule étape, par drapage en continu, de la zone de jonction entre deux parties non alignées A1 et A2 d'une pièce P en matériau composite. Plus précisément, les deux parties A1 et A2 présentent des directions principales qui se coupent selon un angle non singulier, c'est-à-dire sensiblement différent de 0 ou 180 . Dans l'exemple de mise en _uvre illustré sur la figure 1, les nappes de fibres longues sont drapées dans chacune des deux parties A1 et A2 selon des directions 0 , -45 , +45 et 90 par rapport à un repère de drapage R1, R2 associé à la partie correspondante. Bien entendu, l' invention s'applique également à d'autres directions de drapage telles que, par exemple, les directions 0 , -30 , +30 et les directions 0 , -60 , +60 . Conformément à l 'invention, on oriente les directions 0 des repères de drapage R1 et R2 des parties A1 et A2 de la pièce afin qu'elles fassent entre elles un angle sensiblement égal à 180 - , si on désigne par iO une direction de drapage autre que 0 . Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1, cela conduit à orienter les directions 0 des repères de drapage R1 et R2 afin qu'elles forment entre elles un angle d' environ 135 . Comme le montre schématiquement la figure 1, les nappes de fibres orientées selon la direction 0 dans la premier repère R1 sont ainsi automatiquement orientées à i45 dans le second repère R2, ce qui correspond à l'une des directions de drapage de la seconde partie A2. Inversement, les fibres orientées à 0 dans le second repère R2 correspondent à une orientation i45 dans le premier repère R1. Ainsi, le procédé de drapage selon l' invention permet de croiser les nappes de fibres dans la zone de jonction entre les parties A1 et A2. Par conséquent, les nappes de fibres sont orientées selon des directions préférentielles de drapage aussi bien dans le premier repère R1 que dans le second repère R2. Dans le cas o les directions de drapage sont 0 , -30 et +30 , l 'application du procédé selon linvention conduit à orienter les directions 0 des repères de drapage R1 et R2 des parties A1 et A2 afin qu'elles forment entre elles un angle d' environ 120 . De facon comparable, l'application du procédé selon l' invention au cas o les directions de drapage sont 0 , -60 et +60 conduit à orienter les directions 0 des repères de drapage R1 et R2 des parties A1 et A2 afin qu'elles forment entre elles un angle d' environ . La figure 2 illustre un mode de réalisation préféré de l 'invention, dans lequel le procédé est appliqué à la fabrication de la zone de jonction entre les deux ailes A1 et A2 d'une voilure d'aéronef constituant la pièce P. Dans ce cas, la direction 0 de chacun des repères R1 et R2 correspond à la direction prin-cipale D1 et D2 des efforts qui seront appliqués par la suite sur chacune des ailes A1 et A2. La direction principale D1 et D2 coïncide alors avec l'axe longitudinal de l'aile A1, A2 correspondante. Cela implique que les axes longitudinaux des ailes forment entre eux un angle sensiblement égal à 180 - (environ 135 dans le cas de la figure 2, o les directions de drapage sont 0 , -45 , +45 et 90 ) La figure 3 illustre schématiquement une première variante de réalisation de l'invention, dans laquelle la direction 0 du repère de drapage R1, R2 de chacune des deux ailes A1 et A2 correspond sensiblement à la direction du bord avant B1, B2 du caisson de voilure. La figure 4 illustre schématiquement une deuxième variante de réalisation de l 'invention, dans laquelle la direction 0 du repère de drapage R1, R2 de chacune des deux ailes A1 et A2 correspond sensiblement à la direction du bord arrière B'1, B'2 du caisson de voilure. Selon une autre variante de réalisation de l'invention, non représentée, la direction 0 du repère de drapage R1, R2 de chacune des deux ailes A1 et A2 correspond sensiblement à une orientation intermédiaire entre les deux directions illustrées sur les figures 3 et 4. Selon encore une autre variante de réalisation (non représentée), la direction 0 de chacun des repères de drapage R1 et R2 dépasse les limites angulaires définies dans la variante précédente comme étant les bords extérieurs de la partie correspondante de la pièce. Cette variante permet notamment de répondre à des critères d'aoroélasticité assurant une auto adaptation de la déformée de la pièce soumise à des efforts. Cette auto-adaptation a notamment pour but de déplacer vers une zone moins sollicitée une concentration d' efforts trop importante. Cette variante peut aussi permettre de réaliser des drapages anisotropes, dans lesquels une ou plusieurs des directions de drapage sont désorientées. Elle peut avoir pour corollaire de diminuer les surcontraintes aux bords des trous de fixation et d'améliorer les marges ou de diminuer la masse de la structure à marges égales. Comme l'illustre très schématiquement la figure 5, le procédé selon l' invention permet de fabriquer la pièce en enroulant en continu des-fibres et/ou des nappes 10 autour d'un mandrin 12, selon les techniques connues d'enroulement filamentaire ou par nappes. Pour des raisons de fabrication, la pièce complète intégrant une zone de jonction telle que celle qui vient d'être décrite en référence aux figures 1 à 4 peut éventuellement être réalisée en plusieurs morceaux, en dehors de ladite zone. Ainsi, dans le cas d'une voilure d'aéronef, l'utilisation du procédé selon l' invention permet de réaliser la zone centrale de ladite voilure sans jonction et d'adjoindre à cette zone centrale des éléments d'extrémité (saumons ou voilure dite "externe"). Dans ce cas, les jonctions entre la zone centrale et les éléments d'extrémité sont réalisces de façon connue. Toutefois, du fait que ces jonctions sont situées dans une zone moins perturbée et moins chargée de la structure, elles sont beaucoup plus simples et légères à concevoir et à réaliser que les jonctions de l'art antérieur situées entre les deux ailes. Le procédé selon l' invention peut aussi être utilisé pour fabriquer des éléments stabilisateurs d'aéronefs, tels que des gouvernes. De facon plus générale, le procédé selon l' invention peut être utilisé pour fabriquer, par drapage en continu, toute pièce en matériau composite comportant au moins une zone de jonction dans laquelle les directions principales se coupent selon un angle non singulier. REVEND I CAT I ONS 1. Procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite comportant au moins deux parties présentant des directions principales formant entre elles un angle sensiblement différent de 0 , dans une zone de jonction entre lesdites parties, le procédé comprenant, pour chacune desdites parties de la pièce, une étape de drapage en continu d'au moins une nappe, selon des repères de drapage préétablis comportant une direction 0 et au moins une autre direction +0 , caractérisé en ce qu'on choisit les repères de drapage dans chacune desdites parties de façon que les directions 0 de chaque repère fassent entre elles un angle d' environ 180 - et on réalise un drapage de ladite nappe en continu dans la zone de jonction. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel chacun des repères de drapage comporte une direction 0 , une direction -45 et une direction + 45 et on choisit lesdits repères de façon que -les directions 0 fassent entre elles un angle d' environ . 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel chacun des repères de drapage comporte une direction 0 , une direction -30 et une direction +30 et on choisit lesdits repères de façon que les directions 0 fassent entre elles un angle d' environ 120 . 1; 4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel chacun des repères de drapage comporte une direction 0 , une direction -60 et une direction + 60 et on choisit lesUits repères de façon que les directions 0 fassent entre elles un angle d' environ . 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel on oriente la direction 0 de chaque repère de drapage sensiblement parallèlement à la direction principale des efforts prévus pour être appliqués sur la partie correspondante de la pièce. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel on oriente la direction 0 de chaque repère de drapage sensiblement parallèlement à un bord extérieur de la partie correspondante, ledit bord extérieur étant orienté sensiblement selon la direction principale de ladite partie. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel on oriente la direction 0 de chaque repère de drapage selon une direction intermédiaire entre deux bords extérieurs de la partie correspondante, ladite direction intermédiaire étant orientée sensiblement selon la direction principale de ladite partie. 8. Voilure d'aéronef, réalisée par le procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes. 9. Elément stabilisateur d'aéronef, réalisé par le procédé selon l'une quelconque des