Brevet FR2984794A1 — publié le 20130628

PIECE EN MATERIAU COMPOSITE A PROTECTION INTEGREE CONTRE UN IMPACT MECANIQUE La présente invention est relative à une pièce en matériau composite intégrant au moins une partie destinée à sa protection dès sa fabrication. Pour différentes raisons et dans différents types d'assemblage ou de structure, des pièces en matériau composite sont susceptibles de subir des chocs ou des impacts mécaniques et doivent être protégées. A titre d'exemple, un aéronef comprend des pièces structurales susceptibles d'être heurtées par un outil lors d'une opération de maintenance. Actuellement, les pièces structurales en matériau composite tendent à remplacer les pièces structurales métalliques dans un aéronef. Or, il est connu que les pièces fabriquées en matériau composite présentent une certaine fragilité aux chocs et aux impacts mécaniques, ces interactions violentes pouvant affecter à coeur l'intégrité du matériau composite. On sait par exemple qu'une pièce en matériau composite ayant subi un impact mécanique transversal présente de moins bonnes caractéristiques mécaniques, notamment en résistance à la compression. De plus, après certains chocs, la surface externe de la pièce peut rester intacte alors que les couches internes du matériau composite et/ou l'interface entre les fibres et la résine sont sérieusement endommagées. Aussi, lors de la conception d'une pièce structurale en matériau composite d'un aéronef, la validation d'un premier critère de dimensionnement exigé dans le cahier des charges des constructeurs d'aéronefs nécessite l'évaluation, notamment par une sollicitation en compression, des propriétés mécaniques de la pièce structurale en matériau composite après qu'elle ait subi un impact mécanique prédéfini. De plus, selon un deuxième critère imposé par le cahier des charges des constructeurs d'aéronefs, le défaut provoqué par cet impact mécanique doit être 5 détectable au moins «à la limite du visible » en surface de la pièce en matériau composite. Ce critère de détectabilité facilite l'identification d'une pièce structurale endommagée et permet de décréter le remplacement d'une pièce structurale dès que celle-ci présente en surface un endommagement « à la limite du visible ». 10 Cependant, ce critère de détectabilité va à l'encontre d'une conception et d'une fabrication des pièces structurales d'aéronef en matériau composite. En effet, un matériau composite ne laissant pas apparaître de défaut extérieur visible avant de subir un impact mécanique important, cela conduit à élever l'énergie de l'impact mécanique utilisé pour valider à la fois ce deuxième critère 15 de détectabilité et le premier critère de dimensionnement. Et cela, même si il est aussi connu que lorsqu'un matériau composite commence à laisser apparaître des défauts extérieurs visibles, il peut déjà présenter d'importants dégâts à coeur, tels un délaminage ou une rupture des fibres. Au final, pour satisfaire ces deux critères de dimensionnement et de 20 détectabilité, les fabricants visant à produire des pièces structurales d'aéronef en matériau composite sont amenés à surdimensionner les pièces et à optimiser longuement leur conception. Pour donner un ordre d'idées, le surplus de matière composite peut atteindre 30 à 40 % de la masse totale de la pièce. 25 Evidemment, ce surdimensionnement va à l'encontre des objectifs des constructeurs aéronautiques qui cherchent à diminuer la masse de chaque pièce ou composant d'un aéronef. En outre, l'optimisation et la complexification de la conception des pièces contribuent, comme le surdimensionnement, à augmenter les coûts de fabrication. Aussi, pour parer aux inconvénients de cette première solution, une deuxième solution de l'art antérieur prévoit de rapporter un élément de protection sur chaque partie d'une pièce en matériau composite susceptible d'être exposée à un choc ou un impact mécanique, ou sur chaque partie de conception fragile en raison de ses formes, de ses dimensions, de sa position par rapport au corps de la pièce, etc. Un exemple de mise en oeuvre de cette deuxième solution de l'art antérieur est illustré par la figure 1 représentant une section transversale 5 d'une partie 10 d'une pièce 12 en matériau composite recevant un élément de protection 14. L'élément de protection 14, en absorbant tout ou partie de l'énergie du choc ou de l'impact mécanique, permet de préserver l'intégrité de la pièce 12 en matériau 15 composite. De plus, grâce à une fabrication dans un matériau adapté, l'élément de protection 14 laisse facilement apparaître un défaut extérieur visible lorsqu'il subit un impact mécanique, ce qui permet d'éviter de surdimensionner la pièce 12 en matériau composite pour répondre aux deux critères précités. 20 Toutefois, cette deuxième solution présente aussi des inconvénients. Selon un premier inconvénient, cet élément de protection 14 nécessite une conception particulière avec des critères différents, ce qui rallonge les temps d'étude et de mise au point de l'ensemble. Selon un deuxième inconvénient, cet élément de protection 14 est fabriqué 25 indépendamment et doit ensuite être monté sur la pièce 12, ce qui augmente les temps et les coûts de fabrication de l'ensemble. Selon un troisième inconvénient, il est nécessaire de prévoir une solidarisation fiable et durable, et donc souvent difficile et coûteuse à mettre en oeuvre, entre l'élément de protection 14 et la pièce 12. La présente invention vise à pallier ces inconvénients de l'art antérieur. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite comprenant une partie à protéger contre un impact mécanique, caractérisé en ce que la partie à protéger intègre dans son prolongement une partie de protection réalisée simultanément avec la partie à protéger dans un unique dispositif de fabrication et lors d'un unique cycle continu de fabrication dudit dispositif. La présente invention couvre aussi une pièce en matériau composite comprenant une partie à protéger intégrant dans son prolongement une partie de protection réalisée selon ce procédé de fabrication. Avantageusement, l'intégration de la partie de protection lors de la fabrication 15 de la pièce en matériau composite autorise une conception d'ensemble et une réduction des coûts de fabrication. De plus, la partie de protection assurant la fonction de détectabi lité d'un choc ou d'un impact mécanique, la pièce en matériau composite peut être conçue uniquement en fonction des critères de dimensionnement résultant de sa 20 fonction structurale et de son application. 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 1 est une vue partielle d'une section transversale d'une pièce en 25 matériau composite comprenant une partie à protéger sur laquelle est rapporté un élément de protection selon l'art antérieur, - la figure 2 est une vue partielle d'une section transversale d'une pièce en matériau composite comprenant une partie à protéger intégrant une partie de protection selon l'invention, - les figures 3A à 3G illustrent des variantes de réalisation d'une section transversale d'une pièce en matériau composite comprenant une partie à protéger intégrant une partie de protection selon l'invention. La présente invention est relative à la protection d'une pièce en matériau composite contre les impacts, ou chocs, mécaniques. L'invention s'intéresse plus particulièrement à une protection contre les impacts mécaniques de type collision, percussion, ou chute. bans une application visée par la présente invention, des pièces structurales, ou non, en matériau composite d'un aéronef, telles des poutres, des bielles, des traverses, des lisses, des cadres, etc., doivent être protégées d'éventuels impacts mécaniques, ces impacts pouvant provenir d'un outil lors d'une opération de maintenance ou d'une chute lors d'une opération de manutention. Bien entendu, la présente invention peut aussi trouver des applications dans d'autres domaines : ferroviaire, automobile, naval, du cycle, etc. bans l'application visée ou dans une autre, et comme illustré en figure 2, une pièce 20 en matériau composite comprend au moins une partie à protéger 22 20 contre un impact mécanique. bans une conception visée par la présente invention et illustrée en figure 2 par une vue partielle d'une section transversale 520 d'une pièce 20 en matériau composite, la partie à protéger 22 constitue une tranche 26 de la pièce 20 en matériau composite. 25 Par section transversale 520, l'invention entend une section de la pièce 20 prise dans un plan transversal T perpendiculaire à un axe longitudinal L de la pièce 20 en matériau composite. Et par tranche, l'invention entend une partie en saillie, notamment de plus faible épaisseur, par rapport au corps 28 de la pièce 20 en matériau composite. En vue de diminuer les coûts de conception et de fabrication de la protection d'une partie à protéger 22, l'invention propose un procédé de fabrication d'une 5 pièce 20 en matériau composite. Selon ce procédé de fabrication, la partie à protéger 22 intègre dans son prolongement une partie de protection 24 réalisée simultanément avec la partie à protéger 22 dans un unique dispositif de fabrication et lors d'un unique cycle continu de fabrication dudit dispositif. 10 Ainsi, en prévoyant que la partie à protéger 22 et sa partie de protection 24 soient issues d'un même produit fabriqué en continu, tel un profilé, l'invention permet de réduire le coût de fabrication de l'ensemble. De plus, l'invention permet une réalisation monolithique assurant une liaison forte et durable entre la partie à protéger 22 et la partie de protection 24. 15 De préférence, la pièce 20 en matériau composite est fabriquée par pultrusion, et la partie de protection 24 est intégrée à la partie à protéger 22 dans une unique pultrudeuse et lors d'un unique cycle de pultrusion. Ainsi, la pièce 20 est issue d'au moins un profilé pultrudé, plusieurs profilés pouvant être utilisés pour la réalisation du corps 28, et la partie de protection 20 24 est intégrée au profilé pultrudé formant la partie à protéger 22. Avantageusement, pour obtenir un produit fini après intégration de la protection, la partie de protection 24 est intégrée au profilé pultrudé final formant la pièce 20 avec sa partie à protéger 22. bans un premier mode de réalisation du procédé de fabrication, la partie de 25 protection 24 est préfabriquée. La partie de protection 24 peut être préfabriquée dans différents matériaux et par différents procédés, puis assemblée à la partie à protéger 22 au moment où cette partie à protéger 22 est réalisée dans la pultrudeuse. bans une première variante, la partie de protection 24 est réalisée dans un matériau composite et préfabriquée par pultrusion. La partie de protection 24 consiste alors en un profilé pultrudé de forme quelconque, découpé à la longueur souhaitée, et inséré dans la pultrudeuse lors de la mise en forme des fibres formant la partie à protéger 22 et avant polymérisation de la résine entourant lesdites fibres de façon que ce profilé se retrouve solidarisé aux fibres par cette polymérisation. bans une autre variante, la partie de protection 24 est préfabriquée par extrusion métallique. bans un deuxième mode de réalisation du procédé de fabrication, la partie de protection 24 est réalisée dans un matériau composite et formée par pultrusion simultanément à la formation par pultrusion de la partie à protéger 22. bans ce deuxième mode de réalisation, la partie de protection 24 est donc issue du même profilé pultrudé que la partie à protéger 22. bans le premier comme dans le deuxième mode de réalisation du procédé de fabrication, la partie de protection 24 peut être réalisée en matériau composite. Et, dans le premier comme dans le deuxième mode de réalisation du procédé de fabrication, la partie de protection 24 doit être réalisée de manière à favoriser l'apparition d'un défaut visuel lorsqu'elle subit un impact mécanique important et de manière à pouvoir absorber au moins en partie l'énergie des impacts mécaniques subis. bans une première variante, la partie de protection 24 est réalisée dans un matériau composite à base de fibres identiques aux fibres utilisées dans le matériau composite de la partie à protéger 22, mais agencées différemment. Par exemple, un agencement différent des fibres de la partie de protection 24 et de la partie à protéger 22 est obtenu en orientant ces fibres de façon différente par rapport à l'axe longitudinal L de la pièce 20 en matériau composite, ou en croisant les fibres de chacune de ces parties de façon différente. bans une deuxième variante, la partie de protection 24 est réalisée dans un matériau composite à base de fibres différentes des fibres utilisées dans le 5 matériau composite de la partie à protéger 22. be préférence, la partie de protection 24 est réalisée dans un matériau composite à base de fibres d'aramide. Avantageusement, ces fibres d'aramide sont légères mais présentent de bonnes propriétés mécaniques et une bonne résistance aux chocs. 10 La partie de protection 24 peut aussi être réalisée dans un matériau composite à base de fibres de verre, de lin, ou de basalte, ou ayant des propriétés mécaniques équivalentes à celles des fibres d'aramide, ou ayant des propriétés mécaniques proches de celles des fibres de carbone. Selon l'invention, la pièce 20 et la partie à protéger 22 sont de préférence 15 réalisées dans un matériau composite à base de fibres de carbone, l'association de la pultrusion et de ces fibres de carbone permettant l'obtention à moindre coût de profilés présentant d'excellentes propriétés mécaniques. Toujours dans le premier et dans le deuxième mode de réalisation du procédé de fabrication, la partie de protection 24 peut comprendre un insert 30 intégré 20 dans la partie de protection 24 lors de sa fabrication, comme illustré en figure 3A, et/ou un évidement 32 réalisé lors de la fabrication de la partie de protection 24, comme illustré en figure 3B. Cet insert 30, par exemple réalisé dans un matériau déformable, ou l'évidement 32 permet de fragiliser l'extrémité 34 de la partie de protection 24 sensée 25 recevoir l'impact. Cette fragilisation de l'extrémité 34 favorise l'apparition de défauts visuellement détectables et donc la détection d'une zone impactée. Comme illustré sur les différentes figures, la partie de protection 24 prolonge la partie à protéger 22 au moins dans la direction opposée à la direction I dans laquelle est supposé arriver un impact mécanique. bans une conception d'une pièce 20 en matériau composite visée par l'invention, la 5 partie à protéger 22 forme saillie 36 par rapport au corps 28 de la pièce 20 en matériau composite. Comme indiqué précédemment, la partie à protéger 22 peut constituer une tranche 26 de la pièce 20 en matériau composite. bans le cas d'une telle conception en saillie, la partie de protection 24 est 10 réalisée en bout 38 de la forme saillante 36 de la partie à protéger 22. Selon l'invention, la partie de protection 24 est réalisée de façon à recouvrir au moins partiellement au moins une face latérale (F1,F2,F3,...) de la forme saillante 36 de la partie à protéger 22. Comme illustré par les figures 3A à 3E, la ou les faces latérales (F1,F2,F3,...) 15 recouvertes par la partie de protection 24 peuvent être droites. Mais, comme illustré par les figures 3F et 3G, la ou les faces latérales (F1,F2,F3,...) recouvertes par la partie de protection 24 peuvent aussi être courbes. L'avantage d'une face (F1,F2,F3,...) courbe est d'augmenter la surface de liaison 20 entre la partie à protéger 22 et la partie de protection 24, et donc d'améliorer la solidarisation entre la partie de protection 24 et la partie à protéger 22. Selon une autre caractéristique du procédé de fabrication, la partie de protection 24 peut être réalisée avec différentes surfaces d'impact 40, la surface d'impact 40 étant la surface extérieure de la partie de protection 24. 25 Selon une première variante illustrée par les figures 3A, 3B, 3b, 3E et 3G, la partie de protection 24 est réalisée de façon à présenter une surface d'impact de profil convexe. Avantageusement, un tel profil convexe permet de dévier un objet impactant et de diminuer l'énergie à absorber. Selon une deuxième variante illustrée par la figure 3C, la partie de protection 24 est réalisée de façon à présenter une surface d'impact de profil concave. Un tel profil concave permet de créer des arêtes 41 constituant des lignes de fragilité susceptibles de laisser apparaître très rapidement des défauts visuels après avoir subi un impact mécanique, tout en conservant un coeur de matériau de protection. Selon une troisième variante illustrée par la figure 3F, la partie de protection 24 10 est réalisée de façon à présenter une surface d'impact de profil polygonal. Un tel profil polygonal permet aussi de créer des arêtes 41 constituant des lignes de fragilité susceptibles de laisser apparaître très rapidement des défauts visuels après avoir subi un impact mécanique, tout en conservant un coeur de matériau de protection. 15 Enfin, la présente invention couvre aussi une pièce 20 en matériau composite, notamment une pièce structurale d'un aéronef, comprenant une partie à protéger 22, notamment une tranche 26 de la pièce 20, contre un impact mécanique, la partie à protéger 22 intégrant dans son prolongement une partie de protection 24 réalisée selon le procédé de fabrication qui vient d'être décrit. 20 Pour donner un ordre d'idées, l'invention permet de protéger une pièce en matériau composite contre des chocs ayant une énergie cinétique de 5 à 90 joules. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'une pièce (20) en matériau composite comprenant une partie à protéger (22) contre un impact mécanique, caractérisé en ce que la partie à protéger (22) intègre dans son prolongement une partie de protection (24) réalisée simultanément avec la partie à protéger (22) dans un unique dispositif de fabrication et lors d'un unique cycle continu de fabrication dudit dispositif. 2. Procédé de fabrication d'une pièce (20) en matériau composite selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce (20) en matériau composite est fabriquée par pultrusion, et en ce que la partie de protection (24) est intégrée à la partie à protéger (22) dans une unique pultrudeuse et lors d'un unique cycle de pultrusion. 3. Procédé de fabrication d'une pièce (20) en matériau composite selon la revendication 2, caractérisé en ce que la partie de protection (24) est réalisée dans un matériau composite et formée par pultrusion simultanément à la formation par pultrusion de la partie à protéger (22). 4. Procédé de fabrication d'une pièce (20) en matériau composite selon la revendication 2, caractérisé en ce que la partie de protection (24) est préfabriquée. 5. Procédé de fabrication d'une pièce (20) en matériau composite selon la revendication 4, caractérisé en ce que la partie de protection (24) est réalisée dans un matériau composite et préfabriquée par pultrusion. 6. Procédé de fabrication d'une pièce (20) en matériau composite selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que la partie de protection (24) est réalisée dans un matériau composite à base de fibres identiques aux fibres utilisées dans le matériau composite de la partie à protéger (22), mais agencées différemment. 7. Procédé de fabrication d'une pièce (20) en matériau composite selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que la partie de protection (24) est réalisée dans un matériau composite à base de fibres différentes des fibres utilisées dans le matériau composite de la partie à protéger (22). 8. Procédé de fabrication d'une pièce (20) en matériau composite selon la revendication 7, caractérisé en ce que la partie de protection (24) est réalisée dans un matériau composite à base de fibres d'aramide. 9. Procédé de fabrication d'une pièce (20) en matériau composite selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la partie de protection (24) comprend un insert (30) intégré dans la partie de protection (24) lors de sa fabrication et/ou un évidement (32) réalisé lors de la fabrication de la partie de protection (24). 10. Procédé de fabrication d'une pièce (20) en matériau composite selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la partie à protéger 15 (22) est réalisée dans un matériau composite à base de fibres de carbone. 11. Procédé de fabrication d'une pièce (20) en matériau composite selon l'une des revendications précédentes, la partie à protéger (22) formant saillie (36) par rapport au corps (28) de la pièce (20) en matériau composite, caractérisé en ce que la partie de protection (24) est réalisée en bout (38) de la 20 forme saillante (36) de la partie à protéger (22). 12. Procédé de fabrication d'une pièce (20) en matériau composite selon la revendication 11, caractérisé en ce que la partie de protection (24) est réalisée de façon à recouvrir au moins partiellement au moins une face latérale (F1,F2,F3,...) de la forme saillante de la partie à protéger. 25 13. Procédé de fabrication d'une pièce (20) en matériau composite selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la partie de protection (24) est réalisée de façon à présenter une surface d'impact (40) de profil concave, convexe, ou polygonal. 14. Pièce (20) en matériau composite comprenant une partie à protéger (22) contre un impact mécanique, la partie à protéger (22) intégrant dans son prolongement une partie de protection (24) réalisée selon le procédé de l'une des revendications précédentes. 15. Pièce (20) en matériau composite selon la revendication 14, caractérisée en ce que la partie à protéger (22) constitue une tranche (26) de la pièce (20) en matériau composite.