Brevet FR2936442A1 — publié le 20100402

DISPOSITIF POUR LA FABRICATION D'UNE PIECE EN MATERIAU COMPOSITE DE FORME COMPLEXE La présente invention se rapporte à un dispositif pour la fabrication d'une pièce en matériau composite de forme complexe, comportant une forme en creux avec une faible ouverture. L'invention se rapporte à un dispositif permettant la mise en oeuvre d'une phase de polymérisation opérée sous pression, ledit dispositif comportant une membrane de compactage étanche et relativement souple apte à transmettre la pression extérieure à la pièce à réaliser. La construction aéronautique tend à recourir aux matériaux composites pour la réalisation de certaines parties d'un aéronef afin de réduire la masse embarquée. Le document FR-2.894.869 décrit un procédé de fabrication d'un fuselage d'aéronef en matériau composite. Les pièces réalisées en matériau composite comprennent une matrice en résine renforcée par des fibres. Selon un mode de réalisation répandu, les fibres se présentent sous la forme d'un ou plusieurs pli(s) tissé(s) ou non, pré-imprégné(s) de résine. En variante, les fibres peuvent ne pas être pré-imprégnées. Dans ce cas, on utilise au moins un film de résine. Pour assurer la consolidation de la pièce en matériau composite, il est nécessaire d'augmenter la température pour obtenir la polymérisation de la résine. On exerce une pression lors de la polymérisation afin de chasser l'air et les solvants, pour réduire la porosité et pour éviter les risques de défauts susceptibles de réduire les caractéristiques mécaniques de la pièce. Selon un mode de réalisation illustré sur la figure 1, pour réaliser une pièce en matériau composite 10, on drape les nappes de fibres sur un moule 12 et on recouvre l'ensemble par une membrane de compactage 14. D'autres éléments tels que des films de délaminage 16, des moyens de 5 drainage 18, une tôle de lissage par exemple, sont intercalés entre la pièce 10 et la membrane de compactage 14. Lors de la phase de polymérisation, il est nécessaire de compacter les fibres et la résine sur le moule. Ce compactage est obtenu grâce à la membrane de compactage 14 qui forme avec le moule 12 une enceinte étanche. A cet effet, des 10 moyens d'étanchéité 20 sont prévus en périphérie de la pièce entre le moule 12 et la membrane 14. Selon un mode opératoire, une pression de quelques méga pascals est appliquée sur la membrane de compactage 14 par l'intermédiaire d'un fluide chaud qui apporte également la chaleur nécessaire à la polymérisation de la résine. A cet 15 effet, le dispositif est placé dans une enceinte fermée soumise à une pression interne qui correspond à la pression appliquée sur la membrane de compactage. Ainsi, la membrane de compactage 14 a pour fonction de transmettre la pression de l'extérieur à la pièce à réaliser, en visant une répartition homogène de la pression sur l'ensemble de la surface de la pièce à réaliser. 20 A titre indicatif, la pression peut varier de l'ordre de 1,5 Mpa à 3Mpa. Lorsque la pression est gazeuse, l'enceinte est appelée autoclave. Le dispositif comprend généralement des moyens pour évacuer ou aspirer les gaz contenus entre la membrane de compactage 14 et le moule 12 afin d'éviter la formation de microbulles qui une fois la pièce réalisée correspondent à des 25 micro-défauts de structure qui réduisent les caractéristiques mécaniques de la pièce. La présente invention se rapporte plus particulièrement à un dispositif permettant la mise en oeuvre de cette technique pour réaliser une pièce de forme complexe comportant une zone en creux avec une faible ouverture au niveau de laquelle il est difficile de placer la membrane de compactage. A titre d'exemple, comme illustré sur la figure 2, la pièce 22 de forme complexe a une section en Z avec en partie inférieure une zone 24 en creux avec une faible ouverture. Par une zone en creux avec une faible ouverture, on entend qu'au niveau de cette zone la pièce a une section concave constituée de deux surfaces opposées 26, 26' en regard l'une de l'autre, reliées entre elles à une extrémité par une surface d'extrémité 28 plus ou moins arrondie ( la plus éloignée de l'ouverture), l'espacement entre les deux surfaces 26, 26' étant relativement faible au niveau de leurs jonctions avec le reste de la surface de la pièce. Selon un mode opératoire connu, comme illustré sur la figure 3, les nappes formant la pièce 22 sont drapées sur un moule 12, l'ensemble étant recouvert par une membrane de compactage 14 après la mise en place des autres éléments tels que des films de délaminage 16, des moyens de drainage 18 ou autres. Dans la zone en creux 24, on place une cale 30 entre la pièce et le moule ou entre la pièce et la membrane dont une partie est disposée dans la zone en creux 24, le restant de la cale 30 étant plaqué contre la surface de la pièce en dehors de la zone en creux 24. Cette cale 30 indéformable a pour fonction de transmettre la pression exercée par la membrane de compactage 14 aux surfaces de la pièce en contact avec ladite cale 30. Dans le cas, d'une zone en creux 24 avec une faible ouverture, la cale 30 ne permet pas une répartition homogène de la pression sur les surfaces 26, 26' et 28 de cette zone en creux. Ainsi, il existe une zone sensiblement sans pression à proximité de la surface d'extrémité 28. Comme illustré sur la figure 4, cette absence de pression conduit à une polymérisation hétérogène de la pièce et à la présence de bulles d'air 32 entre les nappes de fibres fragilisant considérablement la pièce ainsi réalisée. Aussi, la présente invention vise à pallier les inconvénients de l'art antérieur en proposant un dispositif pour la fabrication d'une pièce en matériau composite de forme complexe, comportant une forme en creux avec une faible ouverture, ledit dispositif permettant d'obtenir une répartition homogène de la pression et de réduire ainsi les risques de défauts au niveau de ladite zone en creux. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif pour la fabrication d'une pièce en matériau composite comprenant une matrice en résine renforcée par des renforts, notamment des fibres et ayant une forme en creux avec une faible ouverture, ledit dispositif comportant un moule dont les formes sont adaptées à celles de la pièce à réaliser ainsi qu'une membrane de compactage, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un contre-moule secondaire expansible susceptible d'occuper un premier état avant la polymérisation dans lequel il occupe un faible volume de manière à permettre son insertion dans la zone en creux et un second état, notamment pendant la polymérisation, dans lequel il occupe un volume plus important de manière à exercer une pression sur les surfaces de la zone en creux. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va 20 suivre de l'invention, description donnée à titre d'exemple uniquement, en regard des dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une représentation schématique d'un dispositif pour réaliser une pièce en matériau composite selon l'art antérieur, - la figure 2 est une vue en perspective d'une pièce en matériau composite 25 comportant une zone en creux avec une faible ouverture, - la figure 3 est une coupe illustrant un dispositif pour réaliser une pièce en matériau composite avec une zone en creux avec une faible ouverture selon l'art antérieur, - la figure 4 est une coupe d'une pièce en matériau composite réalisée à partir du dispositif de la figure 3 illustrant les défauts de la pièce, - la figure 5 est une coupe d'un dispositif pour réaliser une pièce en matériau composite selon l'invention avant la mise sous pression, - la figure 6 est un schéma illustrant une vessie secondaire selon l'invention, - la figure 7 est une coupe d'un dispositif pour réaliser une pièce en matériau composite selon l'invention pendant la mise sous pression, et - la figure 8 est une coupe d'une pièce en matériau composite réalisée à partir d'un dispositif selon l'invention. Sur les figures 5, 7 et 8, on a représenté en 50 une pièce en matériau composite comprenant une matrice en résine renforcée par des renforts, notamment des fibres. Selon un mode de réalisation répandu, les fibres se présentent sous la forme d'un ou plusieurs pli(s) tissé(s) ou non, pré-imprégné(s) de résine. En variante, les fibres peuvent ne pas être pré-imprégnées. Dans ce cas, on utilise au moins un film de résine. L'invention se rapporte à une pièce 50 comprenant une forme en creux 52 avec notamment une faible ouverture. Par une zone en creux avec une faible ouverture, on entend qu'au niveau de cette zone la pièce a une section concave constituée de deux surfaces opposées 54, 54' en regard l'une de l'autre, reliées entre elles à une extrémité par une surface d'extrémité 56 ( la plus éloignée de l'ouverture) plus ou moins arrondie, l'espacement entre les deux surfaces 54, 54' étant relativement faible au niveau de leurs jonctions avec le reste de la surface de la pièce. Le dispositif de l'invention comprend un moule 58 rigide dont les formes sont adaptées à celles de la pièce à réaliser sur ou contre lequel sont rapportés les renforts et la résine apte à former la matrice ainsi qu'une membrane de compactage 60. Comme pour les dispositifs de l'art antérieur, le dispositif comprend des moyens d'étanchéité en périphérie de la pièce entre le moule 58 et la membrane de compactage 60 et d'autres éléments tels que par exemple des films de délaminage, des moyens de drainage, intercalés entre la pièce 50 et la membrane de compactage 60 et/ou entre la pièce 50 et le moule 58. Les moyens d'étanchéité comme tous les autres éléments ne sont pas plus décrits car ils sont connus de l'homme du métier. A titre d'exemple, le moule 58 rigide est généralement métallique ou à base de résines époxydes. La membrane de compactage utilisée comme contre-moule est déformable et réalisée en un caoutchouc résistant ou, pour de très petites séries, en un film polyamide, polyester ou autre. En complément, le dispositif peut comprendre des moyens pour évacuer ou aspirer les gaz présents dans l'espace délimité par le moule 58 et la membrane de compactage 60. Ces moyens ne sont pas plus décrits car ils sont connus de l'homme du métier. Selon l'invention, le dispositif comprend au moins un contre-moule secondaire expansible 62 susceptible d'occuper un premier état avant la polymérisation dans lequel il occupe un faible volume de manière à permettre son insertion dans une zone en creux 52 et un second état, notamment pendant la polymérisation, dans lequel il occupe un volume plus important de manière à exercer une pression homogène sur les surfaces de la zone en creux 52. De préférence, le contre-moule secondaire expansible 62 est disposé entre la pièce et la membrane de compactage 60. Selon un mode de réalisation, le contre-moule secondaire expansible 62 se 25 présente sous la forme d'une vessie gonflable 64 intégrant des moyens pour modifier son volume. Comme illustré sur la figure 6, dans le cas d'une pièce avec une section sensiblement constante selon une direction, comportant une zone en creux 52, comme illustré sur la figure 8, le contre-moule secondaire expansible 62 se présente sous la forme d'une vessie tubulaire 64 avec des extrémités fermées. Cependant, l'invention n'est pas limitée à cette forme, la vessie gonflable 64 ayant des formes adaptées à celles de la zone en creux 52. De préférence, la pression exercée par le contre-moule secondaire expansible 62 est sensiblement la même que celle exercée par la membrane de compactage 60. Dans le cas d'une vessie gonflable 64, cette dernière comprend au moins un conduit ou orifice 66, pour faire communiquer le volume intérieur I de la vessie gonflable avec l'extérieur E du dispositif susceptible d'être soumis à une pression lors de la phase de polymérisation. Selon un mode de réalisation illustré sur les figures, la vessie 64 comprend au moins un orifice 66 qui coopère avec un orifice ménagé au niveau de la membrane de compactage 60, des moyens pour assurer l'étanchéité étant prévus autour des orifices entre la vessie et la membrane de compactage. Ces moyens d'étanchéité peuvent être des éléments distincts ou la fonction d'étanchéité peut être assurée par la nature de la liaison entre la vessie et la membrane de compactage, notamment dans le cas d'un soudage entre ces deux éléments. La mise en oeuvre du dispositif est maintenant décrite au regard des figures 5 et 7 pour une application visant à obtenir une pièce en matériau composite en Z à 20 partir de nappes de fibres pré imprégnées. Dans un premier temps, les nappes de fibres sont déposées sur le moule 58 selon un plan de chargement très précis, les fibres étant orientées dans le sens des sollicitations mécaniques de la pièce. Cette opération très minutieuse appelée drapage est généralement manuelle. Toutefois, elle pourrait être automatisée. 25 Des moyens pour aspirer ou évacuer les gaz peuvent être mis en place si nécessaire. On dépose alors les éléments complémentaires tels que des moyens de drainage, des films de délaminage, un séparateur permettant l'évacuation des gaz vers les moyens pour les aspirer ou les évacuer ou l'évacuation des éventuels surplus de résine qui flue sous l'action de la pression,... Enfin, la membrane de compactage 60 et la ou les vessies 64 sont mises en place. Les liaisons entre la membrane de compactage et la ou les vessies et entre ladite membrane et le moule doivent être parfaitement étanches. Une étape de mise sous vide de l'intérieur du dispositif permet de vérifier cette étanchéité. En suivant, l'ensemble du dispositif est placé dans un autoclave qui est refermé. Enfin, on réalise la mise en pression et en température selon des cycles précis. Après la polymérisation, la pièce est démoulée. bans le cas d'une pièce en Z, on obtient comme illustré sur la figure 8, une matrice homogène sans vide contrairement à celle visible sur la figure 4. Ainsi, le dispositif de l'invention permet de réduire le risque de défauts et de garantir les caractéristiques mécaniques requises. REVENDICATIONS1. Dispositif pour la fabrication d'une pièce en matériau composite comprenant une matrice en résine renforcée par des renforts, notamment des fibres et ayant une forme en creux (52) avec une faible ouverture, ledit dispositif comportant un moule (58) dont les formes sont adaptées à celles de la pièce à réaliser ainsi qu'une membrane de compactage (60), caractérisé en ce qu'il comprend au moins un contre-moule secondaire expansible (62) susceptible d'occuper un premier état avant la polymérisation dans lequel il occupe un faible volume de manière à permettre son insertion dans la zone en creux (52) et un second état, notamment pendant la polymérisation, dans lequel il occupe un volume plus important de manière à exercer une pression sur les surfaces de la zone en creux (52). 2. Dispositif pour la fabrication d'une pièce en matériau composite selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit au moins un contre-moule secondaire expansible (62) est disposé entre la pièce et la membrane de compactage (60). 3. Dispositif pour la fabrication d'une pièce en matériau composite selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit au moins un contre-moule secondaire expansible (62) se présente sous la forme d'une vessie gonflable (64). 4. Dispositif pour la fabrication d'une pièce en matériau composite selon la revendication 3, caractérisé en ce que la vessie gonflable (64) comprend au moins un conduit ou orifice (66), pour faire communiquer le volume intérieur I de la vessie gonflable avec l'extérieur E du dispositif susceptible d'être soumis à une pression lors de la phase de polymérisation. 5. Dispositif pour la fabrication d'une pièce en matériau composite selon la revendication 4, caractérisé en ce que la vessie (64) comprend au moins unorifice (66) qui coopère avec un orifice ménagé au niveau de la membrane de compactage (60). 6. Dispositif pour la fabrication d'une pièce en matériau composite selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'étanchéité autour 5 des orifices entre la vessie gonflable (64) et la membrane de compactage.