Brevet FR2987445A1 — publié le 20130830

PROCEDE DE QUANTIFICATION DE L'IMPREGNATION D'UNE PREFORME FIBREUSE ET DISPOSITIF ASSOCIE [1] DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION [2] L'invention concerne un procédé de quantification de l'imprégnation en résine injectée d'une préforme fibreuse destinée à la réalisation d'une pièce composite tissée ainsi que le dispositif associé. [3] Les pièces composites tissées sont très utilisées dans l'industrie et particulièrement dans les domaines aérospatial et aéronautique, pour lesquels les gains de masse sont stratégiques. On note toutefois que, bien que l'industrie aéronautique reste un acteur majeur du développement des pièces composites tissées, ces pièces sont également utilisées dans d'autres domaines tels que le domaine du sport, du génie civil, du domaine naval, du secteur automobile, du secteur éolien et du domaine pétrolier. [4] ETAT DE LA TECHNIQUE [05] La fabrication d'une pièce composite tissée peut se décomposer en deux étapes principales : la réalisation d'une préforme fibreuse sèche ou armure puis l'injection d'une matrice de la pièce dans la préforme fibreuse. Ce procédé de fabrication permet la réalisation de structures de formes complexes, réduisant au maximum l'étape d'assemblage et évitant l'introduction de jonctions (boulonnées ou collés) fragilisant la pièce. [6] Pour l'étape d'injection, il existe différents procédés de fabrication des pièces composites tissées dont les deux principaux sont le transfert de résine par moulage dans une empreinte rigide (« Resin Transfert Molding » ou RTM en anglais) et l'injection de résine liquide dans le sens de la dimension maximale (« Liquid Resin Injection » ou LRI en anglais). [7] Le procédé de transfert de résine par moulage consiste à placer la préforme fibreuse dans un moule rigide chauffant et à injecter la matrice. Les matrices utilisées dans ce procédé présentent une faible viscosité afin de faciliter son écoulement au sein de la préforme fibreuse et de minimiser les porosités. Ce procédé permet de fabriquer des pièces composites présentant des faces lisses à côtes finies. [08] Le procédé d'injection de résine liquide consiste à placer la préforme fibreuse entre un moule rigide et un sac à vide et à injecter la résine au moyen d'une pompe à vide. L'utilisation d'un sac à vide au lieu d'un contre-moule rigide permet de multiplier aisément le nombre de points d'injection dans la structure et d'optimiser le taux de fibre de la préforme fibreuse. Ce procédé est notamment utilisé pour la fabrication de pales d'éolienne pouvant atteindre jusqu'à soixante mètres d'envergure. Toutefois, seule la face coté moule rigide est lisse et ce procédé d'injection est plus complexe à maîtriser. [09] Ces deux procédés de fabrication d'une pièce composite tissée nécessitent un contrôle rigoureux de l'écoulement de la résine dans la préforme fibreuse. Pour effectuer ce contrôle, préalablement à l'injection de résine dans la préforme fibreuse, on utilise classiquement des dispositifs de visualisation du passage de la résine dans la préforme fibreuse sur un banc de perméabilité. Ces dispositifs mesurent, au stade expérimental, l'écoulement à débit constant d'un fluide d'imprégnation dont les caractéristiques d'écoulement sont proches des caractéristiques de la résine. [010] La Figure 1 de l'état de la technique montre une vue en coupe d'un banc de mesure 10 comprenant une préforme fibreuse 13 destinée à l'injection de résine liquide. La préforme fibreuse 13 est munie de fibres 14 aptes à construire la structure d'une matrice d'une pièce composite tissée. Un fluide d'imprégnation est injecté progressivement par une entrée d'injection 11 du banc de mesure 10, le vide du banc de mesure 10 étant tiré par une sortie 12. La préforme fibreuse 13 est progressivement saturée 15 par le fluide d'imprégnation au fur et à mesure de l'avancement 16 d'un front 17. A l'instant représenté sur la Figure 1, les fibres 18 de la préforme fibreuse 13 proches de l'entrée d'injection 11 sont complètements saturés de fluide d'imprégnation. Lorsque l'on se déplace sur la préforme fibreuse 13 en direction de la sortie 12, les fibres 19 sont partiellement saturés. Du fait de la viscosité et de la vitesse de déplacement du front 17 du fluide d'imprégnation, il y a un décalage entre le front 17 et l'avancement de saturation de la préforme fibreuse 13. [11] Il est connu d'estimer l'avancement de saturation de la préforme fibreuse 13 en fonction du déplacement du front 17 et des caractéristiques du fluide d'imprégnation. La loi de DARCY donnant l'expression d'un débit volumique Q est le modèle de base régissant cet écoulement du fluide d'imprégnation. Selon la loi de DARCY, Q=K.(A/p).(AP/L), le débit volumique Q est fonction de la section d'écoulement A sur la viscosité p et de la différence de pression OP entre l'entrée d'injection 11 et de la sortie 12 sur la longueur L de la préforme fibreuse 13. Le coefficient de perméabilité K est déterminé suivant l'expression de Kozeny-Carman, K=[R2/4k]. [(1-Vf)^3/Vf2], en fonction du rayon R des fibres ainsi que du taux volumique Vf des fibres de la préforme fibreuse 13, la constante k étant le coefficient de Kozeny généralement compris entre 3 et 6. [12] Les moyens expérimentaux de détermination de la vitesse d'avance d'un front représentant la saturation de la préforme fibreuse utilisent les fibres optiques. Cette méthode fondée sur les variations d'indice du milieu donne pour seule information la présence ou non du fluide d'imprégnation. La vitesse d'imprégnation de la préforme est alors estimée de façon grossière en fonction de la présence ou non du fluide d'imprégnation au point d'observation. Les coefficients de perméabilité de la préforme fibreuse sont obtenus par extrapolation numériques de mesures du temps de saturation de la préforme fibreuse, de la position du front lors de l'écoulement et de la perte de charge du fluide d'imprégnation. Cependant, la mesure par fibre optique est localisée et ponctuelle et ne permet pas une analyse volumique de la préforme fibreuse et le taux d'imprégnation n'est figuré que par la présence ou non du fluide d'imprégnation malgré les différentes nuances de saturations qui peuvent apparaître tel que décrit avec la Figure 1. [13] OBJET DE L'INVENTION [14] L'invention propose un procédé de quantification de l'imprégnation en résine injectée d'une préforme fibreuse destinée à la réalisation d'une pièce composite tissée. A cet effet, le procédé de détermination met en oeuvre un capteur à ultrason, la mesure d'un aller-retour d'un signal ultrason dans l'épaisseur de la préforme fibreuse permettant d'estimer la vitesse de saturation de la préforme au cours de l'injection. [15] Selon un premier aspect, l'invention concerne un procédé de quantification de l'imprégnation en résine injectée d'une préforme fibreuse, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : saturer progressivement la préforme fibreuse par un fluide d'imprégnation, émettre et recevoir un signal ultrason au moyen d'un capteur ultrason, mesurer un temps de vol du signal ultrason correspondant au temps nécessaire au signal ultrason pour parcourir un aller-retour dans une section de la préforme fibreuse, et estimer une vitesse de saturation de la préforme fibreuse en fonction du temps de vol, de l'amplitude du signal ultrason émis, de l'amplitude du signal ultrason reçu et de l'épaisseur de la préforme fibreuse. [16] L'invention permet ainsi de quantifier de manière locale mais volumique la saturation de la préforme fibreuse par le fluide d'imprégnation. Ce procédé de quantification de l'imprégnation est applicable aux suivis des procédés d'injection et de polymérisation et permet ainsi d'affiner les modèles de perméabilité des préformes fibreuses. [17] Selon une mise en oeuvre, le procédé comporte l'étape d'estimer un taux de saturation de la préforme fibreuse en fonction de l'amplitude du signal ultrason émis et de l'amplitude du signal ultrason reçu. [18] Selon une mise en oeuvre, le procédé comporte les étapes suivantes : émettre et analyser un champ électromagnétique dans une zone de la préforme fibreuse au moyen d'un capteur à courant de Foucault, estimer un taux de contact inter fibres de la préforme fibreuse en fonction d'un courant induit dans la préforme fibreuse par le champ magnétique, et estimer un taux d'imprégnation de la préforme fibreuse en fonction du taux de contact inter fibres. [19] La complémentarité et la redondance des informations du ou des capteurs ultrasons et du ou des capteurs à courant de Foucault permet d'améliorer la précision de la définition de la saturation de la préforme fibreuse. [20] Selon une mise en oeuvre, le procédé comporte les étapes suivantes : émettre et recevoir un signal lumineux au moyen d'un capteur à fibres optique, mesurer une vitesse de déplacement d'un front de saturation de la préforme fibreuse par le fluide d'imprégnation, et estimer un taux apparent de saturation de la préforme fibreuse en fonction de la vitesse de déplacement du front de saturation de liquide d'imprégnation. [21] Selon une mise en oeuvre, le capteur ultrason émet un signal dont la fréquence est comprise entre 200Hz et 1Mhz ou entre 2.25MHz et 15MHz. [22] Selon un deuxième aspect, l'invention concerne un dispositif de détermination d'un taux de fibre d'une préforme fibreuse mettant en oeuvre le procédé de l'invention, caractérisé en ce qu'il comporte : un banc de mesure comprenant des moyens pour saturer progressivement la préforme fibreuse par un fluide d'imprégnation, au moins un capteur ultrason apte à émettre et recevoir un signal ultrason, et un moyen de mesure du temps de vol du signal ultrason correspondant au temps nécessaire au signal ultrason pour parcourir un aller-retour dans une section de la préforme fibreuse. [23] Selon une réalisation, le dispositif comporte en outre au moins un capteur à courant de Foucault apte à émettre et analyser un champ magnétique et un moyen de mesure d'un champ électromagnétique émis 20 dans une zone de la préforme fibreuse. [24] Selon une réalisation, le dispositif comporte en outre un capteur à fibre optique ponctuel à réflexion de Fresnel. [25] Selon une réalisation, le dispositif comportant au moins deux capteurs ultrason et/ou au moins deux capteurs à courant de Foucault, il 25 comporte en outre un système de multiplexage des signaux des capteurs ultrason et/ou des signaux des capteurs à courant de Foucault apte à regrouper plusieurs acquisitions sur une seule unité d'analyse et de visualisation. [26] Selon une réalisation, le fluide d'imprégnation est une huile de 30 silicone. [27] BREVE DESCRIPTION DES FIGURES [028] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Ces figures ne sont données qu'à titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention. Elles montrent : [029] Figure 1 (Déjà décrite) : une vue en coupe d'un banc de mesure d'une préforme fibreuse de l'état de la technique ; [30] Figure 2 : une vue en coupe d'un banc de mesure d'une préforme fibreuse selon un mode de réalisation de l'invention ; [31] Figure 3: un diagramme de fonctionnement du procédé de détermination du taux de fibre d'une préforme fibreuse ; [32] Figure 4: une représentation temporelle d'une mesure de la saturation d'une préforme fibreuse réalisée par deux capteurs ultrason ; [33] Figure 5: une représentation temporelle d'une mesure de la saturation d'une préforme fibreuse réalisée par un capteur ultrason et un capteur à courant de Foucault ; [34] Les éléments identiques, similaires ou analogues, conservent les mêmes références d'une figure à l'autre. [35] DESCRIPTION D'EXEMPLES DE REALISATION DE L'INVENTION [036] La Figure 2 montre un banc de mesure 10 destiné à quantifier les paramètres d'injection de résine liquide dans une préforme fibreuse 13. La préforme fibreuse 13 est munie de mèches de fibres 14 destinés, par exemple, à construire la structure d'une matrice d'une pièce composite tissée. Le banc de mesure 10 est relié à un organe de supervision (non représenté) qui analyse l'écoulement d'un fluide d'imprégnation introduit par une entrée d'injection 11, le vide étant tiré par une sortie 12. [037] Trois capteurs ultrasons 21-23 sont fixés sur le banc de mesure 10, le premier capteur ultrason 21 étant disposé à une distance X1 de l'entrée d'injection 11, le deuxième capteur ultrason 22 étant disposé à une distance X2 du premier capteur ultrason 21 et le troisième capteur ultrason 23 étant disposé à une distance X3 du deuxième capteur ultrason 22. Par exemple, la distance X1 peut être égale à 130 mm, la distance X2 peut être égale à 180mm et la distance X3 peut être égale à 200mm. [038] Le banc de mesure 10 comporte également un capteur à fibre optique 27, par exemple un capteur ponctuel à réflexion de Fresnel. Une fibre optique 26 permet de suivre le déplacement d'un front au grès de l'avancement du liquide d'imprégnation. L'organe de supervision peut ainsi estimer la saturation de la préforme fibreuse 13 en fonction du déplacement du front et des caractéristiques du fluide d'imprégnation et de la préforme fibreuse 13. [039] En variante, le banc de mesure 10 peut comporter au moins un capteur à courant de Foucault permettant d'émettre et d'analyser un champ électromagnétique dans une zone de la préforme fibreuse 13. [040] La Figure 3 détaille le procédé de quantification de l'imprégnation en résine injectée d'une préforme fibreuse 13 en fonction des mesures effectuées sur un banc de mesure selon l'invention. A cet effet, la préforme fibreuse 13 est progressivement saturée 100 par le liquide d'imprégnation. [041] Chaque capteur ultrason 21-23 génère et reçoit 101 un signal ultrason permettant de mesurer 102 un temps de vol tv du signal ultrason à travers une section de la préforme fibreuse 13. Par exemple, le premier capteur ultrason 21 de la Figure 2 mesure 102 le temps de vol tv analogue au temps du parcours d'un aller 30 retour 31 du signal ultrason à travers une section 33 de la préforme fibreuse 13. En connaissant l'épaisseur e de la préforme fibreuse 13 au niveau de la section 33, l'organe de supervision peut estimer 103 une vitesse de saturation v à l'aide de l'expression : « 2.e=v.tv ». La vitesse de saturation v donne ainsi une première mesure de l'imprégnation 110 en résine injectée de la préforme fibreuse 13. Afin d'améliorer l'estimation 103 de la vitesse de saturation y, plusieurs capteurs ultrason 21-23 sont mis en oeuvre sur l'exemple de réalisation de la Figure 2. Un système de multiplexage des signaux de mesure (non représenté) permet d'augmenter le nombre de mesures simultanées sur la préforme fibreuse 13. [42] L'imprégnation 110 en résine injectée peut également être quantifiée par un taux de saturation ts estimé 107 en fonction de l'amplitude relative entre le signal ultrason émis Al et le signal ultrason reçu A2. En outre, la précision des capteurs ultrason peut être ajustable en fonction de l'épaisseur e de la préforme fibreuse 13. Ainsi, la fréquence des ultrasons peut être comprise entre 200H et 1Mz ou 2.5MHz et 15MHz pour s'adapter avec précision à un grand nombre de préforme fibreuses 13. [43] La Figure 4 montre un exemple de mesure de la saturation d'une préforme fibreuse 13 par deux capteurs ultrason 40, 41. L'amplitude relative est représentée en fonction du temps exprimé en minutes. Environ trois minutes après le début de la mesure, le premier capteur ultrason 40 détecte 44 la présence du fluide d'imprégnation. La saturation de la préforme fibreuse 13 mesurée par le premier capteur 40 augmente sensiblement linéairement jusqu'à la saturation 47 intervenant environ cinq minutes après le début de la mesure. La saturation 47 observée par le premier capteur 40 est ensuite constante. [44] Le deuxième capteur 41 étant décalé par rapport au premier capteur 40, il faut attendre dix-sept minutes après le début de la mesure pour que le deuxième capteur 41 détecte 45 la présence du fluide d'imprégnation. La saturation de la préforme fibreuse 13 mesurée par le deuxième capteur 41 augmente sensiblement linéairement jusqu'à la saturation 48 intervenant environ vingt minutes après le début de la mesure. La saturation 48 observée par le deuxième capteur 41 est ensuite également constante. [45] Les atténuations ultrasonores, liées à la divergence du faisceau ultrason et aux absorptions du matériau, sont regroupées en un seul paramètre appelé l'absorption intrinsèque du matériau. L'absorption intrinsèque du matériau est mesurable par le rapport de l'amplitude du signal ultrason émis A2 sur l'amplitude du signal ultrason reçue Al. L'absorption intrinsèque du matériau est également fonction du taux de porosité surfacique permettant d'estimer 107 le taux de saturation ts. [46] L'imprégnation 110 en résine injectée peut également être quantifiée par un taux apparent de saturation tas de la préforme fibreuse 13 obtenu par la mise en oeuvre d'un capteur à fibre optique 27 apte à émettre et recevoir 115 un signal lumineux. Le capteur à fibre optique 27 permet de mesurer 116 une vitesse de déplacement d'un front de saturation de la préforme fibreuse 13 par le fluide d'imprégnation et permet d'estimer 117 un taux apparent de saturation tas en fonction de la vitesse de déplacement du front de saturation de liquide d'imprégnation. [47] L'imprégnation 110 en résine injectée peut également être quantifiée par un taux d'imprégnation ti de la préforme fibreuse 13. Cette mesure est réalisé par un capteur à courant de Foucault réalisé par une inductance parcourue par un courant alternatif apte à émettre et analyser 112 un champ magnétique dans une zone de la préforme fibreuse 13. La compacité de la préforme fibreuse 13 est mesurée par le module et la phase analysés par le capteur à courant de Foucault. Par exemple, l'imprégnation progressive de la préforme fibreuse 13 fait chuter le module analysé par le capteur à courant de Foucault et modifie le taux de contact inter fibre tc de la préforme fibreuse jusqu'à une asymptote : la saturation. Le capteur à courant de Foucault permet ainsi d'estimer 113 un taux de contact inter fibre tc de la préforme fibreuse 13 et d'estimer 114 le taux d'imprégnation ti de la préforme fibreuse 13 en fonction du taux de contact inter fibres tc. [48] Préférentiellement, un capteur à courant de Foucault est couplé avec chaque capteur ultrason 21-23. La Figure 5 montre la saturation d'une préforme fibreuse 13 estimé par une mesure d'un capteur ultrason 50 et par une analyse d'un retour de courant d'un capteur à courant de Foucault 51. Le capteur à courant de Foucault 51 étant couplé avec le capteur ultrason 50, la saturation de la préforme fibreuse 13 est sensiblement équivalente pour les deux capteurs 50, 51. Le capteur ultrason 50 détecte 55 la présente du fluide d'imprégnation environ trois minutes après le début de la mesure. La mesure en amplitude du capteur ultrason augmente sensiblement linéairement jusqu'à la saturation 56 intervenant environ onze minutes après le début de la mesure. L'analyse du capteur ultrason 50 montre que plus la préforme fibreuse 13 est saturée de fluide d'imprégnation, meilleure est sa conductivité. Inversement, plus la préforme fibreuse 13 est saturée de fluide d'imprégnation, moins le champ magnétique se propage dans la préforme fibreuse 13. L'analyse du champ magnétique par le capteur à courant de Foucault est ainsi inversement proportionnelle à la saturation de la préforme fibreuse 13. L'analyse du champ magnétique par le capteur à courant de Foucault, représenté sur la Figure 5, décroit donc entre la détection 55 du fluide d'imprégnation et la saturation 56 de la préforme fibreuse 13. [49] Les différentes estimations de la vitesse de saturation y, du taux de saturation ts, du taux d'imprégnation ti et du taux apparent de saturation tas permettent ainsi d'obtenir une simulation fiable de l'imprégnation 110 en résine injectée de la préforme fibreuse 13. [50] On note que les caractéristiques d'écoulement du fluide d'imprégnation, par exemple de l'huile de silicone, sont sensiblement identiques à celles d'une résine d'injection. De préférence, les mesures sont effectuées à une température sensiblement identique à une température d'injection de résine dans la préforme fibreuse 13. De préférence, la pression d'injection est sensiblement identique à la pression d'injection de résine dans la préforme fibreuse 13, par exemple un bar. [051] En variante, l'invention peut être mise en oeuvre sur un banc de mesure ou un moule de production pour quantifier les paramètres d'injection d'une résine par le procédé de transfert de résine par modelage. REVENDICATIONS1. Procédé de quantification de l'imprégnation en résine injectée d'une préforme fibreuse (13), caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - saturer (100) progressivement la préforme fibreuse (13) par un fluide d'imprégnation, - émettre et recevoir (101) un signal ultrason au moyen d'un capteur ultrason (21-23), - mesurer (102) un temps de vol (tv) du signal ultrason correspondant au temps nécessaire au signal ultrason pour parcourir un aller-retour dans une section (33) de la préforme fibreuse (13), et - estimer (103) une vitesse de saturation (y) de la préforme fibreuse (13) en fonction du temps de vol (tv), de l'amplitude du signal ultrason émis (A1), de l'amplitude du signal ultrason reçu (A2) et de l'épaisseur (e) de la préforme fibreuse. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte l'étape d'estimer (107) un taux de saturation (ts) de la préforme fibreuse (13) en fonction de l'amplitude du signal ultrason émis (A1) et de l'amplitude du signal ultrason reçu (A2). 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - émettre et analyser (112) un champ électromagnétique dans une zone de la préforme fibreuse (13) au moyen d'un capteur à courant de Foucault, - estimer (113) un taux de contact inter fibres (tc) de la préforme fibreuse (13) en fonction d'un courant induit dans la préforme fibreuse (13) 30 par le champ magnétique, et - estimer (114) un taux d'imprégnation (ti) de la préforme fibreuse (13) en fonction du taux de contact inter fibres (tc). 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il 35 comporte les étapes suivantes :- émettre et recevoir (115) un signal lumineux au moyen d'un capteur à fibres optique (27), - mesurer (116) une vitesse de déplacement d'un front de saturation de la préforme fibreuse (13) par le fluide d'imprégnation, et - estimer (117) un taux apparent de saturation (tas) de la préforme fibreuse (13) en fonction de la vitesse de déplacement du front de saturation de liquide d'imprégnation. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le capteur ultrason (21-23) émet un signal dont la fréquence est comprise entre 200Hz et 1Mhz ou entre 2.25MHz et 15MHz. 6. Dispositif de détermination d'un taux de fibre (tf) d'une préforme fibreuse (13) mettant en oeuvre un procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte : - un banc de mesure (10) comprenant des moyens pour saturer progressivement la préforme fibreuse (13) par un fluide d'imprégnation, - au moins un capteur ultrason (21-23) apte à émettre et recevoir un signal ultrason, et - un moyen de mesure du temps de vol (tv) du signal ultrason correspondant au temps nécessaire au signal ultrason pour parcourir un aller-retour dans une section (33) de la préforme fibreuse (13). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte 25 en outre au moins un capteur à courant de Foucault apte à émettre et analyser un champ magnétique et un moyen de mesure d'un champ électromagnétique émis dans une zone de la préforme fibreuse (13). 8. Dispositif selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce 30 qu'il comporte en outre un capteur à fibre optique (27) ponctuel à réflexion de Fresnel. 9. Dispositif selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que, le dispositif comportant au moins deux capteurs ultrason (21-23) et/ou 35 au moins deux capteurs à courant de Foucault, il comporte en outre unsystème de multiplexage des signaux des capteurs ultrason (21-23) et/ou des signaux des capteurs à courant de Foucault apte à regrouper plusieurs acquisitions sur une seule unité d'analyse et de visualisation. 10. Dispositif selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que le fluide d'imprégnation est une huile de silicone.