Brevet FR2952577A1 — publié le 20110520

PROCEDE DE FABRICATION D'UNE PIECE COURBE EN MATERIAU COMPOSITE ET DISPOSITIF POUR LA FABRICATION D'UNE PIECE COURBE EN MATERIAU COMPOSITE L'invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce courbe en matériau composite, ainsi qu'un dispositif pour la fabrication d'une pièce courbe en matériau composite, apte notamment à mettre en oeuvre le procédé selon l'invention. L'invention concerne plus particulièrement les pièces en matériau composite stratifié comportant des nappes de fibres de renfort noyées dans une résine polymérisable à chaud. L'invention trouve notamment des applications dans le domaine de l'aéronautique pour la fabrication de pièces d'aéronef relativement épaisses, c'est-à-dire de l'ordre de 10 à 25 mm, telles que des cornières, des longerons, des éléments de voilure ou de fuselage etc. Actuellement, pour réaliser une pièce en matériau composite présentant localement un rayon de courbure, il est connu de draper des bandes de fibres en matériau composite directement sur une préforme présentant le rayon de courbure souhaité, de manière à obtenir après polymérisation la pièce courbe souhaitée. Cependant, une telle méthode de fabrication n'est pas satisfaisante du point de vue, notamment, de la productivité. On connait également un dispositif de pliage à chaud permettant de réaliser des cornières d'aéronef et le rebord plié de panneaux extrados. Cependant, ce dispositif de pliage ne permet pas d'assurer, après polymérisation, des fibres tendues dans chaque section de la pièce, et notamment au niveau du rayon de courbure. En effet, le pliage provoque le plissement des fibres comprimées au niveau du rayon interne de la pièce d'une part, et d'autre part la pression autoclave ne suffit pas toujours à compenser le manque de longueur de fibres dû au défoisonnement de la pièce pendant la polymérisation. Ainsi, on peut observer des ondulations de fibres dans le rayon interne de la pièce finie, correspondant aux excès de longueur de fibres dû au plissement des plis de matériau composite comprimés. Par ailleurs, la pièce finale peut présenter une porosité due à un mauvais compactage par la pression autoclave, notamment dans la zone rayon, du fait du manque de longueur de fibres lors du défoisonnement. Dans l'invention, on cherche donc à proposer un procédé de fabrication d'une pièce courbe en matériau composite, ainsi qu'un dispositif pour la réalisation d'une pièce courbe en matériau composite, ne présentant pas tout ou partie des inconvénients cités ci-dessus. Notamment, on cherche à pouvoir réaliser une pièce courbe en matériau composite présentant les longueurs de fibres requises dans toute l'épaisseur de la pièce, pour éviter les excès ou manques de longueurs de fibres au niveau des rayons interne et/ou externe notamment, quel que soit le rayon de courbure souhaité. Pour cela, dans l'invention, on propose de maintenir la face interne de la pièce destinée à être courbée, en tension pendant l'étape de pliage afin d'éviter, ou tout le moins de limiter, la formation de plissements dans le rayon de courbure, et notamment au niveau du rayon interne. Aussi, selon l'invention, des couches de fibres en matériau composite préimprégnées non polymérisées sont préalablement disposées sur une plaque, telle qu'une plaque en fibres de verre, ou sur une couche de composite apte à supporter un effort de traction, qui est maintenue en tension pendant l'étape de pliage. Les couches de fibres en matériau composite sont ainsi également maintenues en tension pendant la phase de pliage. On propose également, simultanément ou non, d'accompagner le glissement des couches de fibres en matériau composite au moment du pliage, de manière à obtenir le glissement juste nécessaire pour avoir la longueur de fibres requise dans toute l'épaisseur de la pièce finale. Par exemple, les couches de fibres sont maintenues entre deux plateaux chauffant/refroidissant, le plateau supérieur, en contact avec la couche de fibres en matériau composite la plus externe, étant apte à glisser en même temps qu'elle, de manière à accompagner le glissement. Par couche la plus externe, on entend la couche au niveau du futur rayon externe de la pièce. Ainsi, lorsque les couches ont suffisamment glissé les unes par rapport aux autres, ce qui sera aisément visualisable par évaluation du déplacement du plateau supérieur, on fixe les couches les unes par rapport aux autres en refroidissant localement la pièce, pour éviter tout glissement plus avant. Bien entendu, il est possible de prévoir un autre repère visuel ou un autre moyen d'évaluation du glissement que le plateau supérieur pour évaluer le glissement des couches de fibres en matériau composite, par exemple un capteur. Du fait de l'élévation de la température aux environs de 80°C, la résine des couches de fibres en matériau composite se liquéfie, autorisant le glissement des couches les unes par rapport aux autres au fur et à mesure du pliage pour permettre ledit pliage sans étirement des couches les plus externes. La couche la plus externe est celle qui se déplace le plus, la couche la plus interne restant quasiment fixe. Par ailleurs, les couches internes étant bien tendues et chaque couche ayant été déplacée de la distance nécessaire pour assurer la longueur de fibres requise dans le rayon de courbure, la pièce courbe obtenue présente au niveau du rayon de courbure un aspect lisse, sans ondulations ni criques. L'invention a donc pour objet un procédé de fabrication d'une pièce courbe en matériau composite, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - on dispose un ensemble de couches de fibres en matériau composite à plat sur une couche support ; - on place l'ensemble couche support et couches de fibres en matériau composite entre deux plateaux, respectivement plateau supérieur et plateau inférieur, le plateau inférieur étant adjacent à une préforme présentant un rayon de courbure correspondant au rayon de courbure interne souhaité pour la pièce à fabriquer ; - on tend la couche support ; - on chauffe l'ensemble couche support et couches de fibres en matériau composite ; - on plie l'ensemble couche support et couches de fibres en matériau composite, tout en mesurant le glissement des couches de fibres en matériau composite les unes par rapport aux autres et par rapport au plateau inférieur ; - on cesse de plier une fois que le glissement des couches de fibres en matériau composite est suffisant et que le rayon de courbure souhaité est obtenu. La couche support peut être une plaque sur laquelle repose les couches successives en matériau composite, ou directement une couche en matériau composite, à condition qu'elle puisse supporter les efforts de traction auxquels elle va être soumise pendant le procédé selon l'invention, et qui formera alors la couche interne de la pièce courbe finale. Avantageusement, une fois le rayon de courbure souhaité obtenu, on refroidit la pièce courbe obtenue, afin d'éviter un début de polymérisation. Par exemple, on refroidit la pièce courbe en la soumettant à une température inférieure à sa température au sortir du l'étape de mise en forme. Autrement, il est possible de laisser ladite pièce courbe refroidir d'elle-même, petit à petit, en cessant simplement de chauffer la pièce une fois la mise en forme terminée. Dans un mode de mise en oeuvre particulier, on dispose le plateau supérieur de manière à ce qu'il repose sur les couches de fibres en matériau composite et soit apte à se déplacer par rapport au plateau inférieur, en même temps que les couches de fibres en matériau composite ; et on évalue le glissement des couches de fibres en matériau composite pendant le pliage en mesurant le déplacement du plateau supérieur par rapport au plateau inférieur, ou par rapport à la couche support qui elle aussi reste fixe par rapport aux autres couches de fibres en matériau composite. Autrement, il est possible de prévoir un plateau supérieur fixe, ne reposant pas sur les couches de fibres en matériau composite, un moyen d'évaluation du glissement des couches fibres, tel qu'un capteur, permettant à l'utilisateur de savoir quand le glissement des couches de fibres en matériau composite est suffisant et que le rayon de courbure souhaité est obtenu. Le chauffage puis le refroidissement de l'ensemble couche support et couches de fibres en matériau composite se fait avantageusement au moyen des plateaux inférieur et/ou supérieur et/ou de la préforme, qui sont alors des plateaux et préforme chauffantes/refroidissantes. Bien entendu, tout autre moyen de chauffage et de refroidissement peut être envisagé. La couche support a préférentiellement des dimensions strictement supérieures aux dimensions des couches de fibres en matériau composite qu'elle supporte. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, il est possible de décomposer l'étape de pliage de la manière suivante : - on réalise un pré-pliage une fois la portion de l'ensemble couche support et couches de fibres en matériau composite située entre les deux plateaux chauffée, en maintenant la couche support sous tension, jusqu'à obtention du déplacement du plateau supérieur souhaité ; - on refroidit ladite portion de manière à ce que seule la zone destinée 35 à présenter un rayon de courbure soit maintenue chaude ; - on poursuit le pliage de la pièce en matériau composite jusqu'à obtention l'angle souhaité. Ainsi, une fois qu'on estime que les couches de fibres en matériau composite sont suffisamment déplacées, on refroidit la pièce pour interdire tout glissement supplémentaire, seule la zone devant être courbée étant maintenue à température élevée pour permettre de poursuivre le pliage. Il n'est alors plus non plus nécessaire, lors de cette deuxième phase de pliage de maintenir la couche support en tension. En effet, lors du pré-pliage, lorsque les couches pouvaient glisser, le maintien en tension a permis de maintenir les couches internes tendues, et lors du pliage final, les couches sont à nouveau fixes les unes par rapport aux autres. Préférentiellement, on poursuit le pliage jusqu'à arriver en butée contre un support réglé à l'angle souhaité et s'étendant dans le prolongement de la préforme. Avantageusement, on détermine avant l'étape de pliage le déplacement du plateau supérieur par rapport au plateau inférieur requis pour obtenir le rayon de courbure souhaité. Par exemple, on choisit un déplacement du plateau supérieur par rapport au plateau inférieur égal à l'angle final souhaité au niveau du rayon de courbure de la pièce en matériau composite multiplié par l'épaisseur de ladite pièce, après polymérisation par exemple. Lors du pliage, les portions chauffées de la pièce en matériau composite peuvent être amenées à une température comprise entre 60 et 100°C, et préférentiellement à une température de 80°C, +/- 10°C. Avantageusement, le refroidissement de tout ou partie de ladite pièce consiste à ramener ladite pièce ou partie de pièce à une température comprise entre 10 et 40°C, et préférentiellement à une température de 20°C, +/- 10°C. Les couches de fibres en matériau composite sont par exemple des 30 couches de fibres de carbone. La couche support est par exemple un film de fibres de verre. Pour obtenir le pliage, on déplace le point de traction de la couche support dans le sens du pliage. Préférentiellement, on polymérise la pièce en matériau composite une 35 fois le pliage terminé et la pièce courbée refroidie. La polymérisation se fait par exemple sur un outil convexe ou concave habillé par une vessie afin de réaliser une polymérisation en autoclave. Lors de l'étape de polymérisation, la pièce va défoisonner et perdre de l'ordre de 15% de son épaisseur. Il est important de tenir compte de ce phénomène lors de la réalisation de la pièce courbe et notamment pour choisir le rayon de courbure de la préforme dans la phase de pliage à chaud, en fonction de l'angle final souhaité pour ladite pièce. Avec le procédé selon l'invention, après défoisonnement, les fibres de la pièce en matériau composite sont tendues, notamment dans la zone courbée et ne présentent pas ou peu de criques. L'invention concerne également un dispositif pour la fabrication d'une pièce courbe en matériau composite, caractérisé en ce qu'il comporte - un plateau inférieur ; - un plateau supérieur ; - une préforme présentant un rayon de courbure, ladite préforme s'étendant dans le prolongement du plateau inférieur ; - une couche support destinée à s'étendre au moins partiellement entre les deux plateaux, et à recevoir des couches de matériau en fibres composites successives devant servir à la fabrication de la pièce courbe ; - un système de traction apte à maintenir sous tension la couche support ; et - un système de mesure du déplacement des couches de matériau composite par rapport au plateau inférieur et/ou par rapport à la couche support. Dans un mode de réalisation particulier du dispositif pour la fabrication d'une pièce courbe en matériau composite selon l'invention, le plateau supérieur est apte à reposer sur les couches de fibres en matériau composite et à se déplacer en même temps qu'elles, le système de mesure mesurant le déplacement du plateau supérieur par rapport au plateau inférieur. Alors, préférentiellement, le dispositif selon l'invention comporte également des moyens de mesure du déplacement du plateau supérieur par rapport au plateau inférieur, ou par rapport à la couche support, afin de pouvoir maîtriser le pliage en fonction du déplacement de plateau calculé au préalable, et d'ajuster au mieux le déplacement dudit plateau par rapport à l'angle final souhaité pour la pièce en matériau composite. Avantageusement, le plateau supérieur et/ou le plateau inférieur et/ou la préforme sont chauffants/refroidissants. Avantageusement, le plateau supérieur a un poids propre compensé en partie par un équilibrage mécanique. La préforme présente avantageusement un rayon de courbure en rapport avec le rayon de courbure interne souhaité pour la pièce à réaliser. Plus précisément, l'écart entre les deux rayons de courbure est théoriquement égal au coefficient de défoisonnement que multiplie l'écart d'épaisseur de la pièce avant et après polymérisation. Le système de traction permet de tirer pendant la phase de pliage avec une force uniforme sur toute la dimension de la pièce à courber. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen de la figure qui l'accompagne. Celle-ci est présentée à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. La figure unique représente schématiquement un dispositif selon l'invention pour la fabrication d'une pièce courbe en matériau composite. Comme cela est visible sur la figure, le dispositif 100 selon l'invention comporte un plateau chauffant/refroidissant inférieur 101 monté fixe sur un bâti B, et un plateau chauffant/refroidissant supérieur 102. Une préforme 103 est montée fixe adjacente au plateau chauffant/refroidissant inférieur 101, et plus précisément dans la continuité dudit plateau 101. La préforme 103 présente un rayon de courbure 104 correspondant au rayon de courbure interne souhaité avant polymérisation pour la pièce à fabriquer. Une couche support 105, par exemple en fibres de verre, est disposée au-dessus du plateau inférieur 101, et s'étend partiellement entre les deux plateaux 101, 102. La couche support 105 est bridée au niveau d'une première extrémité 107 sur un système de bridage 106, tandis qu'une seconde extrémité 108, opposée à la première extrémité 107, est bridée sur un système de traction 109 apte à imposer une force de traction F constante à ladite couche support 105. La couche support 105 est maintenue plane par mise en traction au moyen du système de traction 109. Des couches de fibres de carbone 110, ou couches drapées, de dimensions inférieures aux dimensions de la couche support 105, sont drapées et compactées sur la couche support 105. Ainsi, les couches drapées 110 reposent entièrement sur la couche support 105. Les couches successives de fibres en matériau composite 110 sont disposées de manière à présenter une portion antérieure 111 prise en sandwich entre les deux plateaux 101, 102, et une portion postérieure 112 s'étendant au-delà desdits plateaux 101, 102, la zone à courber coïncidant avec la préforme 103. On choisit le rayon de courbure 104 de la préforme 103 de manière à ce qu'il corresponde au rayon de courbure de l'outillage de polymérisation qui sera utilisé par la suite, moins l'épaisseur E des couches drapées 110. Le plateau/chauffant refroidissant supérieur 102 repose sur la couche de fibres en matériau composite 110 la plus externe, le poids dudit plateau chauffant/refroidissant supérieur étant compensé par un système de contrepoids (non représenté). La portion antérieure 111 des couches drapées 110 est mise en température par les deux plateaux chauffants/refroidissants 101, 102 et la préforme 103 entre lesquels elles sont disposées, jusqu'à 80°C. On procède alors au pliage à chaud desdites couches drapées 110 tout en maintenant la force de traction F constante sur la couche support 105, en déplaçant le point de traction dans le sens du pliage. Le point de traction suit naturellement une trajectoire en développante de cercle si la préforme 103 présente un rayon de courbure 104 constant. Dans la mesure où toute la couche support 105 est maintenue en traction pendant cette première phase de pliage, la pièce courbe obtenue ne présente pas de fibres plissées, notamment au niveau du rayon intérieur. Préférentiellement, on refroidit la portion antérieure 111 des couches drapées 110 à 20°C, au moyen toujours des plateaux chauffant/refroidissant 101, 102, lorsque le déplacement relatif d du plateau supérieur 102 par rapport au plateau inférieur 101 est égal à l'angle en radian de la pièce, que l'on souhaite obtenir après polymérisation, multiplié par l'épaisseur de la pièce après polymérisation, c'est-à-dire après défoisonnement de 15%. Le déplacement du plateau supérieur 102 est par exemple mesuré par un système de mesure 116 annexe. Le refroidissement de la résine permet de figer les couches drapées 110 les une par rapport aux autres. Seule la portion intermédiaire 113 des couches drapées 110, située au niveau de la préforme 103, est maintenue à 80°C, par ladite préforme 103. Les couches drapées 110, au niveau de leur portion antérieure 110, se sont alors toutes déplacées selon la distance requise pour assurer une longueur de fibre suffisante dans le rayon de courbure de la pièce, même si l'angle final souhaité pour la pièce n'est pas encore atteint. Sur la figure unique, le glissement 115 de la portion antérieure 111 des couches 110 est représenté par un pan coupé ou sifflet au niveau de l'extrémité gauche des couches drapées 110. La couche 110 la plus externe, sur laquelle le plateau supérieur 102 repose, est celle qui a le plus glissé pour suivre le mouvement de bascule du système de traction, la couche 110 la plus interne, au contact direct de la couche support 105 n'ayant pas bougé. On poursuit alors le pliage au niveau de la portion intermédiaire 113 des couches drapées 110, jusqu'à amener la partie postérieure 112 des couches drapées 110 contre une surface plane 114 s'étendant dans le prolongement du rayon de courbure 104 de la préforme 103. Cette deuxième étape du pliage ne nécessite pas le maintien en traction de la couche support 105. On refroidit ensuite la portion intermédiaire 113 courbée, pour atteindre une température de 20 degrés environ. Il est alors possible de démouler la pièce obtenue afin de la disposer, par exemple, dans un outillage de polymérisation concave pour la polymériser et obtenir la pièce courbe finale, aux dimensions voulues/prévues. La zone courbée présente donc avant polymérisation une réserve en longueur de fibres qui est utile pour compenser l'appel de fibres qui se produit lors du défoisonnement de la matière pendant le cycle de polymérisation en autoclave. Cette réserve de fibres obtenue lors de la deuxième phase de pliage a pu par exemple se loger dans des évidements locaux réalisés dans la préforme 103. REVENDICATIONS1- Procédé de fabrication d'une pièce courbe en matériau composite, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - on dispose un ensemble de couches (110) de fibres en matériau composite à plat sur une couche support (105); - on place l'ensemble couche support et couches de fibres en matériau composite entre deux plateaux, respectivement plateau supérieur (102) et plateau inférieur (101), le plateau inférieur étant adjacent à une préforme (103) présentant un rayon de courbure (104) correspondant au rayon de courbure interne souhaité pour la pièce à fabriquer ; - on tend la couche support ; - on chauffe l'ensemble couche support et couches de fibres en matériau composite ; - on plie l'ensemble couche support et couches de fibres en matériau composite, tout en mesurant le glissement (115) des couches de fibres en matériau composite les unes par rapport aux autres ; - on cesse de plier une fois que le glissement des couches de fibres en matériau composite est suffisant et que l'angle souhaité est obtenu. 2- Procédé de fabrication d'une pièce courbe en matériau composite selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes supplémentaires suivantes : - on dispose le plateau supérieur de manière à ce qu'il repose sur les couches de fibres en matériau composite et soit apte à se déplacer par rapport au plateau inférieur, en même temps que les couches de fibres en matériau composite ; - on évalue le glissement des couches de fibres en matériau composite pendant le pliage en mesurant le déplacement du plateau supérieur par rapport à la couche support et/ou par rapport au plateau inféieur. 3- Procédé de fabrication d'une pièce courbe en matériau composite selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce qu'il comporte l'étape supplémentaire suivante :- on chauffe l'ensemble couche support et couches de fibres en matériau composite au moyen des plateaux supérieur et/ou inférieur et/ou de la préforme, qui sont des éléments chauffant/refroidissant. 4- Procédé de fabrication d'une pièce courbe en matériau composite selon l'une des revendications 2 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes supplémentaires suivantes : - on réalise un pre-pliage une fois l'ensemble couche support et couches de fibres en matériau composite chauffée, en maintenant la couche support sous tension, jusqu'à obtention du déplacement du plateau supérieur souhaité ; - on refroidit l'ensemble couche support et couches de fibres en matériau composite, de manière à ce que seule la zone (113) destinée à présenter un rayon de courbure soit maintenue chaude ; - on poursuit le pliage de la pièce en matériau composite jusqu'à obtention de l'angle souhaité. 5- Procédé de fabrication d'une pièce courbe en matériau composite selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte l'étape supplémentaire suivante : - on mesure le déplacement (d) du plateau supérieur par rapport au plateau inférieur et/ou par rapport à la couche support pour qu'il soit égal à l'angle final souhaité au niveau du rayon de courbure de la pièce en matériau composite multiplié par l'épaisseur (E) de ladite pièce. 6- Procédé de fabrication d'une pièce courbe en matériau composite selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte l'étape supplémentaire suivante - on refroidit la pièce courbe obtenue. 7- Procédé de fabrication d'une pièce courbe en matériau composite selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte l'étape supplémentaire suivante - pour le pliage, on amène l'ensemble couche support et couches de fibres en matériau composite à une température de 80°C, +/- 10°C, et on le refroidit à 20°C, +/- 10°C après pliage. . 8- Dispositif (100) pour la fabrication d'une pièce courbe en matériau composite caractérisé en ce qu'il comporte - un plateau inférieur (101) ; - un plateau supérieur (102) ;- une préforme (103) présentant un rayon de courbure (104), ladite préforme s'étendant dans le prolongement du plateau inférieur ; - une couche support (105) destinée à s'étendre au moins partiellement entre les deux plateaux, et à recevoir des couches (110) de matériau en fibres composites successives devant servir à la fabrication de la pièce courbe ; - un système de traction (106, 109) apte à maintenir sous tension la couche support ; et - un système de mesure (116) du déplacement des couches de matériau composite par rapport à la couche support et/ou par rapport au plateau inférieur. 9- Dispositif pour la fabrication d'une pièce courbe en matériau composite selon la revendication 8, caractérisé en ce que le plateau supérieur est apte à reposer sur les couches de fibres en matériau composite et à se déplacer en même temps, le système de mesure mesurant le déplacement (d) du plateau supérieur par rapport à la couche support et/ou par rapport au plateau inférieur. 10- Dispositif pour la fabrication d'une pièce courbe en matériau composite selon l'une des revendications 8 à 9, caractérisé en ce que les plateaux supérieur et/ou inférieur sont des plateaux chauffants/refroidissant et/ou que la préforme est une préforme chauffante/refroidissante.