Brevet FR2965747A1 — publié le 20120413

PROCEDE DE FABRICATION D'UN RAIDISSEUR EN MATERIAU COMPOSITE La présente invention se rapporte à un procédé de fabrication d'un raidisseur en matériau composite avec une face intérieure de forme concave. Dans le domaine de l'aéronautique, on connaît des raidisseurs appelés lisses, rapportés sur la face intérieure d'une paroi du fuselage d'un aéronef. Sur le plan géométrique, ce type de raidisseur 10' peut avoir une section en U comme illustré sur la figure 1A. Selon un autre aspect, ces raidisseurs peuvent comporter des discontinuités sur leurs longueurs, par exemple des pentes de l'ordre de 10% sur quelques millimètres en raison notamment d'autres renforts présents sur la peau du fuselage. Ces raidisseurs en forme de U peuvent être également présents au niveau d'autres parties de l'aéronef comme le caisson central de voilure qui relie le fuselage à la voilure. Le caisson central peut comprendre d'autres types de raidisseurs, comme illustré sur la figure 1B, au niveau de la zone de jonction de deux panneaux ad jacents formant ledit caisson. Selon un mode de réalisation, ce type de raidisseur 10 comprend des ailes principales 12 et 12' formant un angle d'approximativement 90° et des ailes secondaires 14 et 14' chacune reliée à une des ailes principales 12 ou 12' et disposée approximativement à 90° par rapport cette aile. Ces ailes secondaires 14 et 14' ont des extrémités orientées l'une vers l'autre si bien que la distance séparant les extrémités des ailes secondaires est inférieure à celle séparant les arêtes 16, 16' reliant les ailes principales 12, 12' aux ailes secondaires 14, 14'. Les zones de jonction entre les ailes principales d'une part et les ailes principales et les ailes secondaires d'autre part peuvent être plus ou moins arrondies. Dans le cas d'un caisson central, les ailes principales 12 et 12' sont plaquées contre les parois adjacentes du caisson central et les ailes secondaires contre les ailes des raidisseurs en U adjacents. Selon un premier mode opératoire par estampage à la presse, le raidisseur est réalisé entre un moule (ou poinçon) et un contre-moule (ou matrice). Préalablement, des nappes et/ou des plis de fibres pré-imprégnées de résine sont drapés à plat, les fibres étant orientées correctement en fonction notamment des contraintes qui seront appliquées au raidisseur. En suivant, on découpe des bandes en fonction des dimensions des raidisseurs. Pour chaque raidisseur, la bande correspondante est chauffée à une température de l'ordre de 80°C puis déposée entre le moule et le contre-moule qui sont montés sur une presse chauffante. Le moule et le contre-moule sont alors fermés de manière à former le raidisseur. Après une phase de compactage à chaud visant à obtenir d'une part un dégazage optimum de la préforme sans aspirer le produit apte à former la matrice, et d'autre part un défoisonnement de la préforme, le moule et le contre-moule sont ouverts de manière à extraire le raidisseur formé. Cette solution peut permettre d'obtenir des raidisseurs partiellement polymérisés et de terminer la polymérisation après l'application des raidisseurs sur la peau à renforcer de manière à obtenir une liaison par co-cuisson entre lesdits raidisseurs et ladite peau. Ce mode opératoire ne convient pas pour obtenir des raidisseurs avec des sections fermées telles qu'illustrées sur la figure 1B car dans ce cas, le poinçon ou la matrice doit être réalisé en plusieurs parties qui se déplacent les unes par rapport aux autres pour obtenir ce type de profil. Le fait que le poinçon ou la matrice soit réalisé en plusieurs parties conduit à complexifier l'outillage le rendant généralement plus fragile et ne garantit pas l'absence de plissement des couches. Selon un autre mode opératoire par thermoformage, on réalise dans un premier temps un flan plan, en drapant des nappes et/ou des fibres pré-imprégnées d'une résine, les fibres étant orientées correctement en fonction notamment des contraintes qui seront appliquées au raidisseur. Ce flan plan est ensuite disposé sur un outillage de type poinçon puis chauffé à une température de l'ordre de 80°C de manière à le rendre déformable et à permettre le glissement des couches de fibres les unes par rapport aux autres en évitant le plissement. Pour plaquer le flan contre le poinçon, on utilise une vessie qui est reliée de manière étanche au poinçon en périphérie du flan à déformer. En suivant, on réalise une dépression dans le volume délimité par le poinçon et la vessie de manière à plaquer la vessie et donc le flan contre le poinçon. L'ensemble est ensuite refroidi pour figer la forme du raidisseur avant le retrait de la vessie. Comme précédemment, ce mode opératoire n'est pas satisfaisant pour réaliser des raidisseurs avec des sections fermées car il ne garantit pas un glissement des couches les unes par rapport aux autres sur toute la longueur développée des ailes principales et secondaires si bien que des plissements peuvent apparaître, plus particulièrement au niveau des zones de jonction des ailes. Par conséquent, quel que soit le mode opératoire, des plissements peuvent se créer lors de la mise en forme du raidisseur, ces plissements constituant des défauts de structure qui altèrent les caractéristiques mécaniques du raidisseur ainsi obtenu. Aussi, la présente invention vise à pallier les inconvénients de l'art antérieur en proposant un procédé de fabrication d'un raidisseur en matériau composite qui limite les risques d'apparition de plissement lors de sa mise en forme. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de fabrication d'un raidisseur en matériau composite avec une face intérieure de forme concave, ledit procédé consistant à réaliser une bande à plat comportant au moins une couche de fibres, à la chauffer pour pouvoir la déformer, caractérisé en ce qu'il consiste à relier l'un des bords latéraux de la bande à un mandrin rotatif de manière à engendrer un enroulement de la bande sur ledit mandrin lors de sa rotation, ledit mandrin ayant une surface extérieure dont au moins une partie correspond à la face intérieure du raidisseur à réaliser, et à exercer au niveau de l'autre bord latéral de la bande une tension selon une direction opposée à la direction du mouvement de la bande provoqué par l'enroulement sur le mandrin rotatif. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre de l'invention, description donnée à titre d'exemple uniquement, en regard des dessins annexés sur lesquels : - La figure 1A est une vue en perspective d'un premier exemple de 15 raidisseur avec une section en U, - La figure 1B est une vue en perspective d'un autre exemple de raidisseur avec une section fermée, - La figure 2 est une vue en perspective d'un flan plan en matériau composite selon l'invention avant déformation, 20 - La figure 3 est une vue en perspective d'un outillage permettant de réaliser un raidisseur selon l'invention, lors de la mise en place d'un flan plan, - La figure 4 est une vue en perspective de l'outillage de la figure 3 lors de la mise en forme du flan pour réaliser un raidisseur selon l'invention, 25 - La figure 5A est une vue en perspective d'une partie de l'outillage de la figure 3 selon une première variante pour réaliser un raidisseur avec un premier profil, et La figure 5B est une vue en perspective d'une partie de l'outillage de la figure 3 selon une autre variante pour réaliser un raidisseur avec un autre profil. Sur la figure 1B, on a représenté un raidisseur avec une section de type fermé. Par section fermée, on entend un raidisseur dont les extrémités des ailes sont espacées d'une distance inférieure à la distance maximale entre les deux ailes. Bien que décrite appliquée à ce type de raidisseur, l'invention peut s'appliquer à d'autres formes de raidisseurs, avec une section en U, en V ou autre par exemple. Pour la suite de la description, on entend par direction longitudinale, la direction qui correspond à la longueur du raidisseur. Par direction transversale, on entend une direction perpendiculaire à la direction longitudinale. La face intérieure du raidisseur correspond aux faces des ailes orientées vers les autres ailes et donc à la face de forme concave du raidisseur. Le raidisseur comprend au moins un pli ou une nappe de fibres pré-imprégnées. La nature des fibres et la résine peuvent varier en fonction des caractéristiques recherchées. Selon un mode opératoire, on réalise un drapage à plat des différents plis nécessaires à l'obtention du raidisseur. Cette dépose des différents plis peut être réalisée de manière automatique grâce à une machine de drapage. Ce mode opératoire permet d'orienter les fibres selon des directions déterminées. De même, cette solution permet de faire varier le nombre de plis sur la longueur du raidisseur de manière à obtenir par exemple des zones renforcées. Avantageusement, on réalise un empilage des différents plis puis on découpe des bandes, chaque bande correspondant à un raidisseur. Sur la figure 2, on a représenté une bande 18 utilisée pour obtenir un raidisseur 10. Cette bande a une longueur légèrement supérieure à celle du raidisseur fini et a une largeur légèrement supérieure à la largeur développée du raidisseur fini. L'épaisseur de la bande peut varier d'un point à l'autre. Selon un mode de réalisation, cette bande 18 comprend au moins une couche de fibres de carbone 20. La bande 18 comprend une couche de fibres de verre 22 dite inférieure au niveau de la face inférieure et avantageusement une couche de fibres de verre 24 au niveau de la face supérieure dite couche supérieure 24. Comme illustré sur la figure 2, la couche inférieure 22 a une largueur supérieure à celle de la ou des couches de fibres de carbone 20 de manière à se prolonger au-delà desdites couches 20 à chaque extrémité, pour une raison qui sera explicitée ultérieurement. En parallèle, la couche supérieure 24 a une largeur supérieure à celle de la ou des couches de fibres de carbone 20 ou est agencée par rapport à la ou les couches de fibres de carbone 20 de manière à se prolonger au-delà desdites couches 20 à au moins une extrémité. Avantageusement, les couches 22 et 24 ont une longueur supérieure à celle de la ou des couches de fibres de carbone 20 de manière à se prolonger au-delà desdites couches 20 à chaque extrémité. Avantageusement, la bande 18 comprend sur ses faces supérieure et inférieure des films protecteurs 26 en matière plastique. Pour la suite de la description, on entend par un bord latéral de la bande, un bord de la bande qui correspond à l'extrémité d'une des ailes du raidisseur. La bande 18 comprend donc deux bords latéraux, un bord latéral gauche 28 et un bord latéral droit 30. Pour mettre en forme la bande 18, on utilise un outillage comme illustré sur les figures 3 et 4 comportant un bâti 32 assurant la fonction de référentiel, des moyens 34 de chauffage pour porter la bande 18 à une température adaptée pour sa déformation, un mandrin 36 rotatif, l'un des bords latéraux de la bande 18 étant relié au mandrin de manière à engendrer un enroulement de la bande sur le mandrin lors de sa rotation, l'autre bord latéral de la bande étant relié à un système de tension selon une direction opposée à la direction du mouvement de la bande provoqué par l'enroulement sur le mandrin rotatif. Selon un mode de réalisation, le bâti 32 se présente sous la forme d'une table avec une surface supérieure 38, de préférence horizontale, rectangulaire avec des dimensions adaptées pour que la bande 18 repose totalement sur ladite surface 38. Selon les cas, cette table 32 peut comprendre des moyens de chauffage 34 sous forme de résistances intégrées dans la table et disposées sous la surface supérieure à proximité du bord 40 de la table parallèle et proche au bord latéral droit 30 de la bande 18. Le mandrin 36 est porté par un support 42 sous forme de deux pieds espacés supportant un axe de pivotement 44 du mandrin. Le mandrin est disposé à proximité du bord 40 de la table et sensiblement parallèle audit bord 40 et au bord latéral droit 30 de la bande. Le mandrin 36 peut être relié au support 42 de manière démontable. Il a une surface extérieure 46 dont une partie correspond à la face intérieure du raidisseur à obtenir. L'outillage comprend des moyens 48 pour relier le bord latéral droit 30 de la bande au mandrin, par exemple sous forme d'une bande de ruban adhésif. Selon une variante, seule la couche inférieure 22 avec des fibres de verre est reliée au mandrin par les moyens 48 au niveau de son bord latéral droit. En variante, seules les couches inférieure 22 et supérieure 24 sont reliées au mandrin par les moyens 48 au niveau de leurs bords latéraux droits. Avantageusement, des moyens sont prévus pour positionner le bord latéral droit 30 de la bande au mandrin 36 afin qu'après pivotement du mandrin, la bande soit déformée selon le profil désiré. Le mandrin est de préférence non chauffé ou chauffé à une température inférieure à la température de formage de la bande de manière à figer la forme de la section du raidisseur par absorption des calories de la bande. Le mandrin sera de préférence métallique pour assurer cette fonction de 5 dissipateur thermique. Avantageusement, le mandrin pourra comprendre plusieurs parties et être de type « à clé » de manière à permettre le démoulage du raidisseur après son refroidissement. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'outillage comprend des 10 moyens 50 pour exercer une tension avec une résultante transversale sur la bande 18 lors de sa déformation. Ces moyens 50 de tension doivent assurer une tension homogène sur toute la longueur de la bande. Selon un mode de réalisation, le bord latéral gauche 28 de la bande est relié à une bande de tension 52 par tous moyens appropriés comme par exemple une 15 bande de ruban adhésif 54. Avantageusement seule la couche inférieure 24 est reliée à la bande de tension 52. Cette bande de tension 52 est reliée au système de tension 50. Selon un mode de réalisation illustré sur les figures 3 et 4, les moyens de tension 50 se présentent sous la forme d'une série de contrepoids 56 reliés à la bande 20 de tension 52 et répartis de manière homogène sur toute la longueur de ladite bande. Ces poids sont reliés par des câbles 58 à la bande de tension 50. Le système de tension comprend également un rouleau 60 (ou une poulie pour chaque câble) disposé au niveau du bord latéral 62 de la table opposé au bord 40 et supportant les câbles 58 de manière à suspendre les contrepoids 56. 25 Les moyens de tension 50 ne sont pas limités au mode de réalisation présenté. D'autres solutions pourraient être envisagées. Avantageusement, l'outillage peut comprendre un plateau supérieur (non représenté) disposé parallèlement à la table 32 au-dessus de cette dernière, pour assurer un compactage et le chauffage de la bande 18. Avantageusement, l'outillage comprend au moins deux parties, l'une d'elles comportant le mandrin 36 et étant reliée au reste de l'outillage de manière démontable. Ainsi, il est possible d'adapter rapidement et de manière économique l'outillage en fonction du raidisseur à réaliser, la forme du mandrin étant adaptée au profil du raidisseur que l'on souhaite obtenir. Ainsi, cette seconde partie peut comprendre le support 42 et le mandrin 36, ou seulement le mandrin 36. Sur la figure 5A, on a représenté un mandrin 36 pour réaliser un raidisseur tel qu'illustré sur la figure 1B, et sur la figure 5B un mandrin 36' pour réaliser un raidisseur avec six pans dont la section est représentée sur la figure 5B. Avec un autre mandrin, on pourrait obtenir un raidisseur 10' avec une section en U comme illustré sur la figure 1A. Le mode de fonctionnement de l'outillage est maintenant décrit au regard des figures 3 et 4. Une bande 18 avec ses couches inférieure 22 et supérieure 24 est rapportée sur la table 32. Le bord latéral droit 40 de la couche inférieure 22 est relié au mandrin 36 grâce à un ruban adhésif 48 qui s'étend sur toute la longueur du bord latéral droit. En suivant, on relie le système de tension 50 au bord latéral gauche de la couche inférieure 22. Avantageusement, on peut utiliser le plateau supérieur pour compacter la bande 18 et la porter à une température de l'ordre de 80°. Lorsque la température est atteinte, le plateau supérieur peut être retiré. Le mandrin 36 est mis en rotation de façon à engendrer l'enroulement de la bande 18 sur le mandrin 36. Ce dernier tire sur la bande par l'intermédiaire de la couche inférieure 22 qui est soumise à une tension grâce au système de tension 50. Cet effort de traction subi par la couche inférieure 22 est transmis à la couche de carbone située juste au-dessus qui elle-même la transmet à la couche disposée juste au-dessus d'elle et ainsi de suite jusqu'à la couche supérieure 24. De ce fait, toutes les couches sont soumises individuellement à un effort de traction et glissent les unes par rapport aux autres sans risque de plissement. Ce mode opératoire garantit que la structure du raidisseur est saine sur toute son épaisseur, et plus particulièrement au niveau des rayons de courbure. Avantageusement, le bord latéral droit de la couche supérieure 24 peut être également relié au mandrin 36. Cet agencement permet d'obtenir un alignement des bords latéraux droits des différentes couches de carbone et de reporter le glissement au niveau des bords latéraux gauches des couches de carbone qui ont une disposition en escalier. Au contact du mandrin 36, la bande 18 formée se fige en particulier dans son épaisseur ce qui évite les phénomène de re-foisonnement du carbone. Après mise en forme du raidisseur, il est détaché du système de tension 50 et le mandrin peut être détaché de son support de manière à transporter le raidisseur jusqu'au poste suivant.