Brevet FR2894869A1 — publié le 20070622

Procede de fabrication d'un fuselage d'aeronef en materiau composite Domaine de I'invention L'invention concerne un procede pour fabriquer un fuselage d'aeronef s dont la peau externe est realisee en materiau composite. Le procede de ('invention permet de realiser la peau externe, en materiau composite, autour de la structure interne du fuselage, facilitant ainsi le montage de ladite structure interne. L'invention concerne egalement un fuselage d'aeronef obtenu avec un tel procede de fabrication. io L'invention trouve des applications dans le domaine de I'aeronautique et, en particulier, dans le domaine de la fabrication de fuselages d'aeronefs. Etat de la technique Le fuselage d'un aeronef est le corps de I'aeronef. La voilure, la derive, le train d'atterrissage, les reacteurs, et de nombreux autres elements is sont fixes sur le fuselage. La fabrication du fuselage constitue donc une etape importante dans la construction d'un aeronef. Classiquement, le fuselage de I'aeronef est un corps creux realise en metal. Ce corps creux est constitue de panneaux metalliques mantes et fixes autour d'une structure interne, generalement metallique, appelee ossature 20 interne de I'aeronef. Les panneaux metalliques sont assembles par des fixations et forment, une fois assemblees, la peau externe de I'aeronef. De tels fuselages metalliques sont tres repandus de nos jours. Cependant, ils presentent ('inconvenient d'etre lourds puisque le fuselage est totalement metallique. Its presentent, de plus, ('inconvenient de presenter des jonctions, 25 entre les panneaux metalliques, constituant des surepaisseurs. Ces surepaisseurs augmentent la masse et peuvent induire une trainee lorsque I'aeronef est en vol, ce qui est genant du point de vue aerodynamique. Pour diminuer la masse du fuselage, les constructeurs aeronautiques cherchent a remplacer certains elements metalliques par des elements en 30 materiaux composites. Ces materiaux composites sont utilises notamment pour la realisation d'une ou de plusieurs parties du fuselage de I'aeronef, par exemple, pour le carenage ventral de I'aeronef. Ces parties du fuselage sont generalement des panneaux realises a partir de fibres seches preenduites de resine. Ces panneaux sont fabriques en preparant des nappes ou/et pieces 3s de tissus de fibres seches pre-enduites d'une resine thermodurcissable, en plagant ces nappes ou/et pieces de tissus dans un moule puis en chauffant le tout. Sous I'effet de la chaleur, la resine polymerise, permettant au renfort fibreux de conserver la forme du moule. Apres refroidissement, le moule est retire. Un tel procede de fabrication permet principalement la fabrication de panneaux, c'est-a-dire de pieces a profit ouvert, puisque le moule doit pouvoir titre retire apres mise en forme et refroidissement. II permet difficilement la fabrication de corps creux, en particulier a forme evolutive, par exemple des corps creux de forme conique. Pour permettre la fabrication, en materiau composite, d'une portion de to fuselage a forme evolutive, it existe un procede qui consiste a fabriquer un trongon de la peau externe du fuselage d'un aeronef. Ce trongon de peau externe est realise en entourant des nappes de fibres pre-enduites de resine, autour d'un moule ayant la forme souhaitee. Le moule peut titre un cylindre creux. Le moule ainsi entoure de nappes de fibres pre-enduites est chauffe is afin que la resine polymerise. Apres refroidissement, le stratifie obtenu forme la peau externe de I'aeronef. Cette peau externe est detachee du moule, soit par glissement, soit par demontage sur place puis retrait du moule. Lorsque la peau externe a ete realisee, I'ossature interne est introduite a I'interieur de la peau externe, piece par piece, ou par groupe de pieces elementaires 20 positionnees sur des batis complexes. L'ossature interne d'un aeronef est un assemblage de cadres et autres pieces structurales, telles que des lisses et des planchers. L'ossature interne est donc installee en introduisant chaque cadre et piece structurale de I'ossature a I'interieur de la peau externe puis en fixant chacune de ces pieces depuis I'interieur de ladite peau externe. 25 Lorsque des pieces de I'ossature interne sont trop volumineuses, elles sont decoupees en plusieurs portions et introduites, portion par portion, dans la peau externe puis fixees entre elles par rivets. Un tel procede est difficile a mettre en oeuvre du fait notamment de I'importante superficie de la peau externe a detacher du moule. La peau 30 externe peut comporter en outre des elements du type surepaisseur qui augmentent encore les difficultes de demoulage. De plus, ce procede est relativement long a mettre en oeuvre, puisqu'il necessite ('introduction et la fixation, par groupes elementaires, ou piece par piece, voire portion de piece par portion de piece, de toutes les pieces formant I'ossature interne, a 35 I'interieur de la peau externe. Expose de l'invention L'invention a justement pour but de remedier aux inconvenients des techniques exposees precedemment. A cette fin, ('invention propose un procede pour fabriquer un fuselage d'aeronef dont la peau externe est en materiau composite et dont ('ossature interne constitue au moins partiellement le moule de fabrication de la peau externe, et/ou le support dudit moule. Ce procede propose de monter ('ossature interne puis de fabriquer la peau externe autour de ('ossature interne. Plus precisement, ('invention concerne un procede de fabrication d'un to fuselage d'aeronef comportant une ossature interne entouree d'une peau externe en materiau composite, caracterise en ce que ('ossature interne constitue au moins partiellement un moule de fabrication de la peau externe en materiau composite. Ce procede presente I'avantage de ne necessiter aucune installation is de ('ossature interne apres fabrication de la peau externe. II presente en outre I'avantage de permettre la realisation d'un fuselage, quel que soit sa forme, sans couture. Ce procede peut comporter les operations suivantes : - assemblage d'une pluralite de cadres et pieces structurales pour 20 former ('ossature interne du fuselage, - installation d'outillages coques entre les cadres de ('ossature pour obtenir une structure pleine (ces outillages coques peuvent s'etendre a plus de 2 cadres), - depot d'une couche de materiau composite autour de la structure 25 pleine, - cuisson de la structure pleine recouverte de la couche de materiau composite, et - retrait des outillages coques pour obtenir ('ossature interne recouverte de la peau externe. 30 Le procede de ('invention peut comporter egalement une ou plusieurs des caracteristiques suivantes : - la couche de materiau composite est deposee sous la forme d'un ruban de fibres impregnees d'une resine. - les cadres de ('ossature interne sont prefabriques. 35 - les cadres prefabriques sont installes d'un seul tenant. - les outillages coques sont fixes sur les cadres situes de part et d'autre desdites coques. - les outillages coques sont des portions de cylindres. - les cadres sont mantes sur un bati apte a soutenir ('ossature interne. - le bati est apte a entrainer ('ossature interne en rotation devant un dispositif de placement du materiau composite. - les outillages coques sont retirees par I'interieur de ('ossature apres avoir ete deconnectees de ('ossature interne. - des ouvertures sont decoupees dans la peau externe a io ('emplacement des portes et/ou hublots du fuselage. - les outillages coques sont revetus d'un materiau favorisant leur demoulage. -les outillages coques sont realises dans un materiau anti-adhesif. - les outillages coques sont realises dans un materiau tel que sa is dilatation thermique ne soit pas sensiblement differente de celle de la peau externe. L'invention concerne egalement un fuselage d'aeronef obtenu avec le procede decrit precedemment. Ce fuselage peut se caracteriser en outre par le fait que la peau 20 externe peut titre collee sur les cadres formant ('ossature interne. Breve description des dessins La figure 1 represente une ossature interne d'aeronef realisee selon le procede de ('invention. La figure 2 represente une structure pleine (c'est-a-dire equipee 25 d'outillages coques) d'aeronef realisee selon le procede de ('invention a partir de ('ossature interne de la figure 1. La figure 3 represente une vue en coupe partielle d'une ossature interne et d'un outillage coque. La figure 4 represente schematiquement une portion de fuselage 30 d'aeronef realisee selon le procede de ('invention, lorsque la structure pleine est recouverte d'un ruban des fibres preenduites. Description detaillee de modes de realisation de I'invention Le procede de ('invention propose de realiser un fuselage d'aeronef, ou un trongon d'un fuselage d'aeronef, dans lequel ('ossature interne de 35 I'aeronef constitue au moins une partie du moule et/ou le support du dit moule de fabrication de la peau externe en materiau composite. Dans toute la suite de la description, on considera la fabrication d'un fuselage d'aeronef dans sa totalite, etant entendu que le procede peut titre mis en oeuvre pour realiser un trongon seulement du fuselage d'aeronef. Lorsqu'un trongon seulement du fuselage est realise, ce trongon peut titre assemble et fixe avec d'autres trongons en materiaux composites ou en metal. Le procede de ('invention consiste a fabriquer ('ossature interne du fuselage a partir de cadres et d'autres pieces structurales, generalement metalliques. Ces cadres et ces pieces sont assemblees les unes avec les io autres puis fixees les unes aux autres pour former ('ossature interne. L'assemblage de ces differentes pieces est realise autour d'un mandrin reposant sur un bati. Ce mandrin a pour role de soutenir ('ossature interne et de permettre a ladite ossature d'etre entrainee dans un mouvement de rotation au moment de la fabrication de la peau externe. Ce role is d'entrainement en rotation sera decrit plus en detail ulterieurement. Sur la figure 1, on a represents schematiquement I'etape de montage et d'assemblage de ('ossature interne d'un fuselage, conformement au procede de ('invention. La figure 1 represente une ossature interne 1 assemblee autour d'un axe XX supportant le mandrin. Le mandrin n'est pas 20 represents sur la figure par mesure de simplification de la figure. Seul ('axe XX est represents, le mandrin etant autour de cet axe. L'axe XX est fixe de part et d'autre a des supports formant un bati de soutient de ('ossature interne, non represents sur la figure par mesure de simplification. Cet axe XX peut aussi titre en position verticale, et n'etre fixe qu'a son extremite 25 inferieure, dans ce cas. Cette ossature interne 1 comporte des cadres 2, des lisses, des raidisseurs, des planchers et autres panneaux de structure. Elie comporte, par exemple, des sous-ensembles pre-assembles 3 dont les decoupes sont destinees a recevoir des portes 4, des hublots 5 ou encore des amenagements du poste de pilotage 6. 30 Comme montre sur la figure 1, lorsque les differents elements de ('ossature interne sont mantes et assembles, la forme generale du fuselage de I'aeronef est perceptible. Pour faciliter ('installation et ('assemblage de ('ossature interne, les differentes pieces destinees a former ('ossature interne, et en particulier les cadres, peuvent titre numerotees et reperees sur 35 un plan. Pour faciliter egalement la construction de I'ossature interne, les pieces structurales et autres cadres peuvent titre des pieces prefabriquees. Les cadres peuvent titre installes d'un seul tenant, ce qui simplifie ('installation des differentes pieces de I'ossature interne. Par exemple, les cadres peuvent titre realises sur 360 . Lorsque I'ossature interne est assemblee, le procede de ('invention comporte une operation d'installation des outillages coques entre les cadres de I'ossature interne. En effet, les cadres et autres pieces structurales sont espaces les uns des autres. Dans ('exemple de la figure 1, les cadres 2a et to 2b sont separes par un espace 7. Le procede de ('invention propose de combler ces espaces au moyen d'outillages coques qui forment un habillage de I'ossature interne. Un exemple d'habillage d'ossature interne est represents sur la figure 2. Cette figure 2 montre I'ossature interne 1 de la figure 1 apres installation d'outillages coques 8 entre les cadres 2 et pieces is structurales de ladite ossature. Les outillages coques 8 sont des pieces ayant une courbure identique a la courbure externe de I'ossature interne. Autrement dit, les outillages coques 8 constituent des portions de surface aptes a titre installees entre deux cadres ou deux ensembles de cadres de I'ossature. Les outillages 20 coques peuvent avoir des dimensions sensiblement egales a ('espace entre deux cadres. Dans ce cas, chaque outillage coque est installs et fixe entre deux cadres. Les outillages coques peuvent aussi avoir des dimensions superieures a ('espace entre deux cadres. Dans ce cas, chaque outillage coque peut titre installs entre deux ensembles de cadres. Dans ('exemple de 25 Ia figure 2, un outillage coque 8a a une forme de demi-cylindre. Cette coque 8a est alors installee entre un premier cadre 2a et un second cadre 2b. Cette coque 8a se reprend donc sur les cadres 2a a 2b. Un outillage coque peut ainsi titre installs dans un inter-cadre, c'est-a-dire dans un espace entre deux cadres, ou bien dans un espace comportant plus d'un inter-cadre. Dans la 30 suite de la description, on considerera que chaque outillage coque est installs entre deux cadres. Les outillages coques peuvent former une portion de cylindre. Elles peuvent egalement avoir toute autre forme leur permettant d'epouser la forme exterieure de I'ossature interne. Lorsque les outillages coques sont 35 installes sur toute la superficie de I'ossature interne, la structure obtenue est appelee structure pleine 14. Cette structure pleine 14 est donc une ossature interne dont les espaces sont combles par des outillages coques. Cette structure pleine peut comporter quelques ouvertures qui correspondent a des amenagements specifiques de I'aeronef tels que les portes ou les vitres du poste de pilotage. Sur la figure 3, on a represents une vue en coupe partielle d'une structure pleine. Cette figure 3 montre donc, selon une vue de face en coupe, deux cadres 2a, 2b d'une ossature interne 1 entre lesquels est installee un outillage coque 8. Cet outillage coque 8 est fixe sur chaque cadre 2a et 2b au to moyen d'une fixation amovible 9a, 9b. Cette fixation amovible peut titre un boulon ou tout autre moyen de fixation pouvant titre retire ulterieurement, apres fabrication de la peau externe 10. L'outillage coque 8 peut aussi titre mis en position par les cadres 2a, 2b, mais fixe sur une autre partie de I'ossature interne 1. is Dans I'exemple de la figure 3, les cadres 2a, 2b ont une forme sensiblement en C. L'outillage coque 8 a une forme adaptee pour s'inserer entre le dos du C du cadre 2b et le fond du U du cadre 2a. L'outillage coque 8a peut titre realise en plusieurs parties afin de favoriser son insertion entre les cadres 2a et 2b. Dans ce cas, on parle 20 d'assemblage puis desassemblage des outillages coques. Dans I'exemple de la figure 3, on a represents la peau externe 10 qui recouvre les cadres 2a et 2b ainsi que ('outillage coque 8. La figure 3 correspond donc a la structure pleine apres fabrication de la peau externe et avant retrait des outillages coques. Les operations de fabrication de la peau 25 externe et de retrait des outillages coques vont maintenant titre decrites. Lorsque la structure pleine 14 est construite, le procede de ('invention propose de realiser la peau externe autour de ladite structure pleine. La structure pleine 14 constitue ainsi un moule pour la fabrication de la peau externe. En d'autres termes, ('ossature interne constitue une partie du moule 30 de fabrication de la peau externe. L'autre partie du moule de fabrication de la peau externe est constituee par les outillages coques, cette autre partie etant retiree apres fabrication de ladite peau externe. Pour realiser la peau externe, des rubans de fibres preenduites de resine sont places tout autour de la structure pleine. Ces rubans de fibres 35 preenduites sont deposes bande par bande sur tout le contour de la structure pleine. Sur la figure 4, on a represents un exemple d'un trongon de fuselage installs sur le bati 11 d'une machine a placement de fibres. Comme explique precedemment, I'ossature interne a ete construite autour d'un axe XX reposant sur deux supports 11 a et 11 b formant le bati 11 de la machine a placement de fibres. La structure pleine, une fois realisee, se trouve donc montee autour de ('axe XX. Les supports du bati 11 sont equipes de moteurs qui permettent entrainer ('axe XX en rotation. La structure pleine est ainsi entrainee en rotation par ('axe XX. io Une tete de placement 12, mobile, assure le placement du ruban de fibres preenduites sur la structure pleine. La structure pleine est ainsi recouverte, bande apres bande, d'une couche de fibres preenduites 13. Lorsque la structure pleine est entierement recouverte de fibres preenduites, ladite structure est introduite dans un four pour y titre cuite. Sous I'effet de la is chaleur, la resine polymerise de sorte que les rubans 13 creent un stratifie epousant la forme de la structure pleine et constituant la peau 10. II est a noter que les outillages coques sont realises dans un materiau tel que leur dilatation thermique n'est pas sensiblement differente de celle du ruban de fibres. Elles peuvent titre realisees, par exemple, dans un materiau 20 composite. La cuisson de la structure pleine n'entraine donc aucun probleme de dilatation thermique differentielle entre les outillages coques et I'ossature interne. En outre, I'ossature interne ne cree pas non plus de problemes de dilatation thermique, car elle est en materiaux composites. La cuisson de la structure pleine a donc uniquement des effets sur le ruban de fibres 25 preenduites. Lorsque le ruban de fibres est polymerise, la peau externe est formee. Le procede de ('invention propose alors de retirer les outillages coques. Dans un mode de realisation prefers de ('invention, les outillages coques sont recouverts d'un materiau favorisant leur demoulage, c'est-a-dire 30 un materiau qui empeche toute adherence de la resine. Dans une variante, les outillages coques sont realisees dans un materiau anti-adhesif. Ainsi, la peau externe, une fois fabriquee, titre collee a I'ossature interne, et notamment aux cadres de I'ossature interne, mais n'est pas collee aux outillages coques. Les outillages coques peuvent donc titre deconnectes puis 35 retires aisement, depuis I'interieur de I'ossature, tout en laissant ladite ossature interne en place, a I'interieur de la peau externe. Lorsque les outillages coques ont ete retires, des decoupes peuvent titre realisees dans la peau externe pour obtenir des ouvertures destinees aux hublots, aux portes et autres amenagements. On comprend donc que ce procede permet un gain de temps considerable puisque I'ossature interne est realisee avant que la peau externe ne soit en place. Elie est donc realisee sans contrainte d'espace. De plus, ce procede necessite uniquement la depose et le retrait des outillages coques qui peuvent titre respectivement en plusieurs parties pour titre retires to plus facilement. Par ailleurs, un fuselage obtenu avec le procede de ('invention presente I'avantage de pouvoir titre realise d'un seul tenant, sans necessite de couture entre deux panneaux, ce qui permet un gain de temps, de masse, et une amelioration sensible de I'aerodynamisme de I'aeronef. REVENDICATIONS 1 - Procede de fabrication d'un fuselage d'aeronef comportant une ossature interne (1) entouree d'une peau externe (10) en materiau composite, caracterise en ce que I'ossature interne constitue au moins partiellement un moule (4) de fabrication de la peau externe en materiau composite. 2 - Procede selon la revendication 1, caracterise en ce qu'il comporte les operations suivantes : io - assemblage d'une pluralite de cadres (2) et pieces structurales pour former I'ossature interne (1) du fuselage, -installation d'outillages coques (8) entre les cadres de I'ossature pour obtenir une structure pleine (14), - depot d'une couche de materiau composite (13) autour de la is structure pleine (14), - cuisson de la structure pleine recouverte de la couche de materiau composite, et -retrait des outillages coques (8) pour obtenir I'ossature interne (1) recouverte de la peau externe (10). 20 3 - Procede selon la revendication 2, caracterise en ce que la couche de materiau composite est deposee sous la forme de fibres impregnees d'une resine. 4 - Procede selon la revendication 2 ou 3, caracterise en ce que les cadres (2) de I'ossature interne (1) sont prefabriques. 25 5 - Procede selon la revendication 4, caracterise en ce que les cadres prefabriques sont installes d'un seul tenant. 6 - Procede selon rune quelconque des revendications 2 a 5, caracterise en ce que les outillages coques (8) sont fixes sur les cadres (2) situes de part et d'autre desdits outillages coques. 30 7 - Procede selon rune quelconque des revendications 2 a 6, caracterise en ce que les outillages coques sont des portions de cylindres. 8 - Procede selon rune quelconque des revendications 2 a 7, caracterise en ce que les outillages coques sont realises en plusieurs parties favorisant leur insertion entre les cadres. 35 9 - Procede selon rune quelconque des revendications 2 a 8,caracterise en ce que les cadres sont mantes sur un bati apte a soutenir ('ossature interne. 10 - Procede selon la revendication 9, caracterise en ce que le bati est apte a entrainer ('ossature interne en rotation devant un dispositif de 5 placement du materiau composite. 11 - Procede selon rune quelconque des revendications 2 a 10, caracterise en ce que les outillages coques (8) sont retires par I'interieur de ('ossature apres avoir ete deconnectees de ('ossature interne 12 - Procede selon rune quelconque des revendications 2 a 11, to caracterise en ce que des ouvertures sont decoupees dans la peau externe, a ('emplacement des portes et/ou hublots du fuselage. 13 - Procede selon rune quelconque des revendications 2 a 12, caracterise en ce que les outillages coques sont realises dans un materiau anti-adhesif. is 14 - Procede selon rune quelconque des revendications 2 a 12, caracterise en ce que les outillages coques sont realises dans un materiau revetu d'un materiau favorisant le demoulage. 15 - Procede selon rune quelconque des revendications 2 a 14, caracterise en ce que les outillages coques sont realises dans un materiau 20 tel que sa dilatation thermique ne soit pas sensiblement differente de celle de Ia peau externe. 16 - Fuselage d'aeronef comportant une ossature interne (1) recouverte d'une peau externe (10), caracterise en ce qu'il est obtenu par le procede selon ('une quelconque des revendications precedentes. 25 17 - Fuselage selon la revendication 16, caracterise en ce que la peau externe (10) est collee sur les cadres formant ('ossature interne.