Brevet FR2986990A1 — publié le 20130823

PANNEAU AUTO-RAIDI EN MATERIAU COMPOSITE ET PROCÉDÉ DE REALISATION D'UN TEL PANNEAU DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE [0001]L'invention se rapporte à un panneau auto-raidi en matériau composite et un procédé d'assemblage pour réaliser un tel panneau. [0002]Les panneaux auto-raidis en matériau composite sont largement utilisés dans le domaine aéronautique pour constituer, en particulier, des caissons du fuselage ou de voilure. Mais l'invention ne se limite pas à l'aéronautique et pourrait s'appliquer à tout domaine dans lequel des structures utilisent des panneaux destinés à subir des contraintes (bâtiment, automobile, nautique, spatial, etc.). [0003]De tels panneaux sont classiquement composés d'une peau et de raidisseurs se projetant sensiblement perpendiculairement à la peau. Les raidisseurs permettent de créer des zones de grande inertie mécanique afin de stabiliser la peau. [0004]Comme il apparaît sur les vues en perspective et en coupe partielle des figures 1 a et 1 b, un panneau auto-raidi 1 est par exemple réalisé à partir de l'assemblage de préformes longitudinales de différentes sections. Les préformes de base 2 sont constituées d'un empilement de plis élémentaires, en général d'épaisseur comprise entre 1,5 et 4 mm. Ces préformes 2 sont à section en « U » avec deux bords tombés 21 reliés par une âme 22, chaque bord 21 étant accolé à un autre bord par imprégnation de résine et juxtaposition pour former un raidisseur 3. Les âmes 22 forment une première couche de la peau 4. [0005]Afin de renforcer le comportement du panneau auto-raidi 1, l'épaisseur de chaque raidisseur 3 est augmentée par addition de préformes additionnelles de section rectangulaire 5, appelées « clous », entre deux bords 21 de deux préformes de base 2 consécutives. Les préformes 5 ont sensiblement même hauteur que les bords tombés 21. Les vides formés entre la base des clous 5 et les préformes 2 en regard, au niveau des coudes 2e formés entre l'âme 22 et les bords 21 de ces préformes, sont comblés par d'autres préformes 6 de section sensiblement triangulaire appelées « têtes de clous ». Une deuxième couche plane 41 de peau 4 (figure 1 b) est pré-imprégnée de résine et drapée sur les âmes 22 des préformes 2, constituant la première couche de peau 4, et sur les autres préformes 5 et 6 en alignement des âmes 22. [0006]Les efforts de traction/compression exercés sur le panneau 1 sont transférés des raidisseurs 3 vers la peau 4. Cependant, en bout de panneau, les raidisseurs sont arrêtés avant l'extrémité du panneau pour permettre la jonction de ce panneau avec un autre panneau, par exemple pour former un caisson, ou avec d'autres pièces. Les efforts portés par les raidisseurs sont transférés à la peau jusqu'en extrémité de panneau, de part et d'autre des raidisseurs. Pour porter ces efforts supplémentaires, il est alors nécessaire de renforcer la peau du panneau. ÉTAT DE LA TECHNIQUE [0007]En général, pour renforcer le panneau, la solution consiste à augmenter l'épaisseur de la peau, en particulier dans la zone d'arrêt des raidisseurs. Le dimensionnement de cette zone est alors essentiel car critique pour optimiser le panneau en fonction des sollicitations mécaniques et des caractéristiques physiques (masse, encombrement, etc.). Il est difficile de trouver un compromis acceptable pour tous ces critères. [0008]Il est également connu du document de brevet EP 1 216 816 de renforcer les panneaux par une couche d'un matériau composite supplémentaire qui recouvre le panneau et partiellement les raidisseurs. Cette solution aboutit aux mêmes difficultés d'optimisation du panneau. De plus, cette solution rend plus complexe et plus long le processus de fabrication. [0009] Il est également possible de renforcer le panneau par des inserts de forme prismatique « en coin » et intégrés entre la peau et les raidisseurs, comme décrits dans le document de brevet US 4 331 723. Mais cette combinaison est également difficile et complexe à mettre en oeuvre. De plus les raidisseurs sont rapportés sur la peau par collage à la résine, ce qui ne permet pas une transmission suffisante des efforts dans les applications visées ci-dessus. [0010]Concernant le procédé de réalisation d'un panneau auto-raidi, deux méthodes sont connues : soit toutes les préformes, de base, de clous et de têtes de clou, sont juxtaposées sur un outillage et la peau est ensuite drapée par- dessus par injection de résine ; soit la peau est déjà drapée par pré-imprégnation de résine et toutes les préformes sont juxtaposées par-dessus. Dans les deux cas, les opérations sont longues et difficilement automatisables par un cycle de fabrication. EXPOSÉ DE L'INVENTION [0011]L'invention vise à remédier aux inconvénients de l'état de la technique, en particulier elle vise à satisfaire à la fois les contraintes mécaniques et les caractéristiques physiques des panneaux, permettant en particulier la mise en oeuvre d'un procédé rapide et automatisable de fabrication. Pour ce faire, l'invention propose une préforme de base qui intègre les renforts de type « clous ». [0012]Plus précisément, la présente invention a pour objet un panneau auto-raidi en matériau composite comportant une peau et des raidisseurs s'étendant parallèlement. Le panneau est réalisé à partir de préformes de base juxtaposées constituées d'un empilement de plis de fibres ayant une section en « U » formée de deux bords tombés reliés à une âme via un coude intermédiaire. Les bords accolés de deux préformes consécutives forment les raidisseurs et les âmes d'une première couche de peau. Dans ce panneau, des plis de fibres de renfort sont intégrés sensiblement entre deux plis consécutifs des bords tombés desdites préformes de base pour former des préformes à bords renforcés, l'ensemble des plis du panneau ainsi renforcé étant imprégné de résine. [0013]Selon des modes de réalisation préférés : chaque pli de chaque nappe de fibres de renfort est, pour sensiblement l'ensemble des plis, intercalé entre deux plis consécutifs des bords tombés de la préforme de base ; - les plis des nappes des fibres de renfort présentent des premières extrémités alignées avec les extrémités des plis des bords tombés de la préforme de base, de sorte à former un chant de raidisseur renforcé sensiblement plan, et des secondes extrémités qui pénètrent dans le coude intermédiaire formé entre le raidisseur renforcé et la peau selon des profondeurs inégales ; - le coude intermédiaire possède un rayon de courbure le plus faible possible de sorte à minimiser l'espace entre les coudes des bords renforcés formant un raidisseur renforcé ainsi qu'entre les âmes consécutives qui s'y rattachent. [0014]L'invention se rapporte également à un procédé d'assemblage apte à réaliser un panneau auto-raidi tel que défini ci-dessus. Dans ce procédé, le panneau est produit à partir de préformes par incorporation, pour chaque préforme, d'un pli de fibres d'une nappe de renfort entre deux plis de bords latéraux d'une préforme de base constituée d'une âme prolongée par lesdits bords latéraux, précédée, accompagnée et/ou suivie d'une imprégnation de résine, par juxtaposition des préformes et drapage d'une couche de peau formée de plis de fibres plane sur les âmes des préformes. [0015]Selon des modes de réalisation préférés : - les préformes sont juxtaposées sur un outillage et le drapage de couche de peau est réalisée par dessus les âmes des préformes ; - une couche de peau est drapée et les préformes sont juxtaposées sur cette couche ; - chaque préforme est constituée à plat, puis les bords de la préforme sont rabattus simultanément dans une opération d'estampage sous presse ou sont pliés successivement dans une opération de pliage ; - les fibres sont directement drapées en plis sur un mandrin rectangulaire, présentant des faces latérales et des faces longitudinales de largeur supérieure, par une machine de drapage associée qui forme deux épaisseurs de plis sur les faces latérales pour une épaisseur de pli sur les faces longitudinales, puis par découpe des plis formés sur les faces latérales le long d'une ligne médiane ; - une préforme mère et des nappes de renfort étant stockées en magasin sous forme de bobines de fibres ou de rouleaux de plis, les fibres ou plis des nappes de renfort sont intercalées en bordure des fibres ou plis de la préforme mère, la préforme mère ainsi renforcée converge vers une filière pour réaliser la section en forme de « U », l'ensemble étant imprégné par une résine et chauffé en amont et/ou en aval de la filière, et la préforme mère renforcée ainsi formée est entraînée puis découpée à la longueur souhaitée. PRÉSENTATION DES FIGURES [0016]D'autres données, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description non limitée qui suit, en référence aux figures annexées qui représentent, respectivement : - les figures 1 a et 1 b, des vues en perspective et en coupe partielle d'un panneau auto-raidi selon l'état de la technique (déjà commentées) ; - la figure 2, une vue partielle en coupe d'un exemple de panneau auto-raidi selon l'invention comportant des raidisseurs renforcés ; - la figure 3, des vues schématiques en coupe d'une préforme renforcée selon des étapes (3(a) à 3(c)) de mise en oeuvre du procédé de réalisation selon l'invention avec un mode par estampage des bords ; - la figure 4, des vues en perspective (4a) et en coupe (4b) de la machine à draper et du mandrin, ainsi des étapes finales de découpe (c) et de récupération (d) des préformes renforcées selon un autre mode de réalisation ; et - la figure 5, une vue globale d'une chaîne de fabrication en mode continu de préformes renforcées selon l'invention. DESCRIPTION DETAILLÉE [0017]Sur les figures, des signes de référence identiques renvoient aux mêmes éléments avec les mêmes fonctions. [0018]La figure 2 illustre une vue partielle en coupe d'un exemple de panneau auto-raidi 1 a selon l'invention. Ce panneau comporte une peau 4 et des raidisseurs 3a s'étendant parallèlement. Le panneau est réalisé à partir de préformes 2a juxtaposées constituées d'empilements de plis de fibres ayant une section en « U ». Chaque préforme 2a est formée de deux bords tombés 21a reliés à l'âme 22 via le coude intermédiaire 2e. Les bords accolés 21a de deux préformes consécutives 2a forment la base des raidisseurs 3a et les âmes 22 une première couche de peau. Cet ensemble est drapé sur une autre couche de plis de fibres 41 qui recouvre la première couche 22 pour compléter la peau 4. [0019]Selon l'invention, des plis P1, P3, ... Pi... d'une nappe de fibres de renfort 51 sont intercalés entre deux plis QO, Q2, Qj ... des bords 21 d'une préforme de base 2, en alternant au maximum les plis dans cet exemple. L'ensemble des plis est imprégné de résine. Les bords tombés 21a et donc les raidisseurs 3a présentent alors globalement des épaisseurs sensiblement supérieures aux préformes initiales. [0020]Les plis de la nappe de fibres de renfort 51 présentent des premières extrémités E5 alignées avec les extrémités E2 des plis des bords tombés 21 de la préforme de base. Le chant C2 du raidisseur 3a est donc sensiblement plan. Les secondes extrémités E6 des plis de la nappe 51 pénètrent plus ou moins dans le coude intermédiaire 2e, formé entre les bords 21a et l'âme 22 du raidisseur 3a, c'est-à-dire selon des profondeurs inégales. Les efforts sont transférés à la peau 4 de manière progressive, ce qui évite d'augmenter l'épaisseur de la peau en bout de panneau la et permet un gain en masse. [0021]Le coude intermédiaire 2e possède un rayon de courbure le plus faible possible afin de minimiser l'espace Ec entre les coudes 2e des bords renforcés 21a formant un même raidisseur 3a, ce qui se traduit également par une discontinuité importante entre les âmes consécutives 22 qui s'y rattachent. Ce faible rayon est obtenu par passage sur presse, comme décrit ci-dessous dans l'exemple de procédé d'assemblage. [0022]Dans un premier exemple de procédé d'assemblage, en référence aux vues schématiques en coupe de la figure 3, le panneau est produit au cours de trois étapes essentielles : - à l'étape (a), pour chaque préforme de base 2, un pli P1, P3, Pi de la nappe de fibres de renfort 51 est incorporé latéralement, entre deux plis consécutifs QO, Q2, Qj, Qj+2 de chaque bord 21 de la préforme de base 2, constituée de l'âme 22 prolongée à chaque extrémité et dans un même plan par les bords 21 ; - à l'étape (b), les âmes 22 et les bords renforcés 21a sont compactés en autoclave 30 sous une plaque de mise en pression uniforme (« caul plate » en terminologie anglaise) 31 ; alternativement, il est possible d'utiliser d'autres moyens, par exemple une pompe à vide et une vessie comme moyen de pression ; et à l'étape (c), les bords renforcés 21a sont rabattus soit simultanément par estampage sous une presse soit par pliage successif (par enroulement autour d'un plateau presseur). [0023]L'opération de pliage ou d'estampage sous presse est précédée, accompagnée et/ou suivie d'une imprégnation de résine. Les préformes 2a ainsi renforcées et mises en forme sont ensuite juxtaposées et drapées d'une couche de peau formée de plis de fibres sur les âmes de ces préformes. [0024]Pour ce faire, soit les préformes 2a sont juxtaposées sur un outillage adapté (non représenté) et le drapage de la couche de peau est réalisé par dessus les âmes 22 des préformes, soit la couche de peau est drapée et les préformes sont juxtaposées sur cette couche. [0025]Dans un autre exemple de réalisation illustré sur les vues en perspective des figures 4(a) et 4(b), les plis sont directement drapés en forme sur un mandrin cylindrique à section rectangulaire 61 monté sur des supports 45. Le mandrin 61 présente deux faces latérales opposées 61 et deux autres faces latérales opposées 6L de largeur transversale supérieure, par une machine de drapage 4M associée. La machine 4M est commandée par une unité (non représentée) pour former deux fois plus de plis sur les faces latérales que sur les faces longitudinales : deux épaisseurs de pli PI sur les faces latérales 61 pour une épaisseur de pli PL sur les faces latérales plus larges 6L. Les plis PI formés sur les faces latérales 61 sont ensuite découpés le long de lignes médianes Lm, comme illustré schématiquement par la vue en coupe de la figure 4(c). Les deux sections en « U » ainsi découpées sont détachées (flèches D, figure 4(d)) pour être récupérées et constituer alors deux préformes 2a renforcées selon l'invention. Ce mode de réalisation est également particulièrement adapté pour réaliser des préformes en coin de caisson dont les extrémités pliées forment longitudinalement des raidisseurs, par exemple pour des caissons centraux de voilure d'aéronef. [0026]Dans un troisième exemple de réalisation illustré en figure 5, une préforme mère 5M et des nappes de renfort 5N sont stockées en magasin (phase I) sous forme de rouleaux de plis, respectivement quatre rouleaux Ri et six rouleaux Rj. Alternativement, des bobines de fibres peuvent être utilisées. [0027] Les fibres ou plis des nappes de renfort 5N sont intercalées en bordure des fibres ou plis de la préforme mère 5M, la préforme mère ainsi renforcée converge vers une filière Fi (phase II) pour réaliser la section en forme de « U ». L'ensemble des fibres ou plis est imprégné par une résine et chauffé en amont et/ou en aval de la filière par un four Fr (en aval de la filière dans le sens de déplacement sur l'exemple illustré de la figure 5). La préforme mère renforcée 5Ma est tirée par un système d'entraînement 81 (phase III), puis découpée à la longueur souhaitée à l'aide d'un couteau vibrant aux ultrasons 82 (phase IV) avant d'être évacuée (flèche E). [0028]L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés. Ainsi, il est possible de prévoir une moyenne de deux ou plus de deux plis de renfort dans les bords pour un pli de préforme de base, en particulier lorsque les plis de renfort sont d'épaisseur sensiblement inférieure aux plis de la préforme de base. Par ailleurs, la résine de drapage peut être une résine thermodurcissable ou thermoplastique. REVENDICATIONS1. Panneau auto-raidi en matériau composite comportant une peau (4) et des raidisseurs (3) s'étendant parallèlement, ce panneau (1) étant réalisé à partir de préformes de base juxtaposées (2) constituées d'un empilement de plis de fibres (QO, Q2, Qj) ayant une section en « U » formée de deux bords tombés (21) reliés à une âme (22) via un coude intermédiaire (2e), dans lequel les bords accolés (21) de deux préformes consécutives (2) forment les raidisseurs (3) et les âmes (22) d'une première couche de peau (4), caractérisé en ce que, des plis (P1, P3, ... Pi) d'une nappe de fibres de renfort (51) sont intégrés sensiblement entre deux plis consécutifs (Qj, Qj+2) des bords tombés (21) desdites préformes de base (2) pour former des préformes (2a) à bords renforcés (21a), l'ensemble des plis du panneau ainsi renforcé (1a) étant imprégné de résine. 2. Panneau auto-raidi selon la revendication 1, dans lequel chaque pli (P1, P3, ... Pi) de chaque nappe de fibres de renfort (51) est, pour sensiblement l'ensemble des plis, intercalé entre deux plis consécutifs (Qj, Qj+2) des bords tombés (21) de la préforme de base (2). 3. Panneau auto-raidi selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les plis (P1, P3, , Pi) des nappes de fibres de renfort (51) présentent des premières extrémités (E5) alignées avec les extrémités (E2) des plis (QO, Q2, Qj) des bords tombés (21) de la préforme de base (2), de sorte à former un chant (C2) de raidisseur renforcé (3a) sensiblement plan, et des secondes extrémités (E6) qui pénètrent dans le coude intermédiaire (2e) formé entre le raidisseur renforcé (3a) et la peau (4) selon des profondeurs inégales. 4. Panneau auto-raidi selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le coude intermédiaire (2e) possède un rayon de courbure le plus faible possible de sorte à minimiser l'espace (Ec) entre les coudes (2e) des bords renforcés (21a) formant un raidisseur renforcé (3a) ainsi qu'entre les âmes consécutives (22) qui s'y rattachent. 5. Procédé d'assemblage apte à réaliser un panneau auto-raidi selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le panneau (1a) est produit à partir de préformes (2a) par incorporation, pour chaque préforme, d'un plide fibres (P1, P3, ..., Pi) d'une nappe de renfort (51) entre deux plis (QO, Q2, ..., Qj) de bords latéraux (21) d'une préforme de base (2) constituée d'une âme (22) prolongée par lesdits bords latéraux (21), précédée, accompagnée et/ou suivie d'une imprégnation de résine, par juxtaposition des préformes (2a) et drapage d'une couche de peau (4) formée de plis de fibres plane sur les âmes (22) des préformes (2a). 6. Procédé d'assemblage selon la revendication précédente, dans lequel les préformes (2a) sont juxtaposées sur un outillage et le drapage de couche de peau (4) est réalisée par dessus les âmes (22) des préformes (2a). 7. Procédé d'assemblage selon la revendication 5, dans lequel une couche de peau (4) est drapée et les préformes (2a) sont juxtaposées sur cette couche (4). 8. Procédé d'assemblage selon l'une des revendications 5 à 7, dans lequel chaque préforme (2a) est constituée à plat, puis les bords (21a) de la préforme sont rabattus simultanément sous presse (3P) dans une opération de pliage ou sont pliés successivement dans une opération d'estampage sous presse. 9. Procédé d'assemblage selon l'une des revendications 5 à 7, dans lequel les fibres sont directement drapées en plis sur un mandrin rectangulaire (61), présentant des faces latérales (61) et des faces longitudinales (6L) de largeur supérieure, par une machine de drapage associée (4M) qui forme deux épaisseurs de pli (Pi) sur les faces latérales (61) pour une épaisseur de pli (Qj) sur les faces longitudinales (6L), puis par découpe (82) des plis formés sur les faces latérales (61) le long d'une ligne médiane (Lm). 10. Procédé d'assemblage selon l'une des revendications 5 à 7, dans lequel une préforme mère (5M) et des nappes de renfort (51) étant stockées en magasin sous forme de bobines de fibres ou de rouleaux de plis (Ri, Rj), les fibres ou plis des nappes de renfort sont intercalées en bordure (21) des fibres ou plis de la préforme mère (5M), la préforme mère ainsi renforcée converge vers une filière (Fi) pour réaliser la section en forme de « U », l'ensemble étant imprégné par une résine et chauffé (Fr) en amont et/ou en aval de la filière (Fi), etla préforme mère renforcée ainsi formée (5Ma) est entraînée (81) puis découpée (82) à la longueur souhaitée.