Brevet FR3006927A1 — publié le 20141219

Arrière-plan de l'invention La présente invention concerne un procédé de découpe de textures fibreuses réalisées par tissage de fils en carbure de silicium (SiC), les textures étant destinées à être utilisées pour former des renforts fibreux de pièces en matériaux composites thermostructuraux comme les matériaux composites SiC/SiC formés d'un renfort en fibres de SiC densifié par une matrice également SiC. La fabrication d'une pièce en matériau composite thermostructural comprend généralement la réalisation d'une préforme fibreuse dont la forme est voisine de celle de la pièce à fabriquer et la 15 densification de la préforme par la matrice. La préforme fibreuse constitue le renfort de la pièce dont le rôle est essentiel vis-à-vis des propriétés mécaniques. La préforme peut être obtenue à partir de textures fibreuses réalisées par tissage, bi ou tridimensionnel, entre une pluralité de couches de fils chaîne et de trame. 20 Une fois la texture tissée, les surlongueurs doivent être découpées de manière à obtenir une préforme textile à la forme et aux dimensions du renfort fibreux de la pièce. L'opération de découpe est en général réalisée manuellement avec des ciseaux. Cependant, cette solution présente les inconvénients 25 suivants : - dégradation de l'intégrité du textile en raison de l'effort de coupe entraînant le cisaillement des fibres, - découpe peu précise et peu reproductible, pouvant conduire à des manques de matière ou au contraire des surlongueurs gênant la 30 fermeture du moule, - conditions de travail contraignantes (fibrilles, difficultés de découpe, risques sanitaires), - usure très rapide des ciseaux, - phénomène d'effilochage impactant les conditions de 35 transport, stockage des préformes et la fermeture du moule (perte de fils). Le document US 2010/037441 divulgue l'utilisation d'un faisceau laser pour la découpe de préformes fibreuses. Si cette solution permet de remédier à la plupart des inconvénients de la découpe aux ciseaux, elle entraîne toutefois d'autres inconvénients. En particulier, la Déposante a 5 constaté que les fibres SiC découpées au laser subissent une pollution dont l'origine provient au moins en partie des espèces dégagées par le support sur lequel la texture à découper est placée. En effet, après avoir traversé la texture, le faisceau laser frappe le support sur lequel la texture est placée, ce qui entraîne le dégagement d'espèces solides et gazeuses 10 qui se déposent sur les fibres découpées. Or, il existe un besoin pour découper des textures à base de fibres SiC au laser tout en limitant la pollution des fibres découpées. Objet et résumé de l'invention 15 A cet effet, la présente invention propose un procédé de découpe par laser d'une préforme fibreuse dans une texture fibreuse obtenue par tissage de fils de carbure de silicium, le procédé comprenant le placement de la texture fibreuse sur un support d'un outillage de découpe et la découpe par un faisceau laser du contour de la préforme 20 fibreuse dans la texture fibreuse, caractérisé en ce que le support de l'outillage de découpe comporte une portion continument évidée délimitant le contour de la préforme à découper, le faisceau laser étant déplacé lors de la découpe de la texture fibreuse suivant un chemin de découpe aligné sur la portion 25 continument évidée de manière à éviter un contact entre le faisceau laser et le support de l'outillage de découpe. Ainsi, avec un chemin de découpe dépourvu de matière, le faisceau laser ne frappe que la texture fibreuse lors de l'opération de découpe. Toute pollution liée à des dégagements issus du support peut 30 être ainsi évitée. On obtient ainsi une préforme qui peut être traitée et/ou densifiée par des dépôts chimiques sans risque de réaction indésirable entre le matériau déposé et des particules ou espèces issues du support. Selon un premier aspect du procédé de l'invention, le support de découpe comprend une pluralité d'ouvertures coopérant avec un système 35 d'aspiration de manière à plaquer la texture fibreuse sur ledit support de découpe et aspirer les gaz et les matières dégagés par la texture lors de la découpe de ladite texture fibreuse. Selon un deuxième aspect du procédé de l'invention, une bâche étanche est placée sur la texture fibreuse de manière à compacter la texture fibreuse sous l'effet de l'aspiration par la pluralité d'ouvertures. Comme expliqué plus loin en détails, l'utilisation d'une bâche étanche permet de diminuer la puissance du laser nécessaire à la découpe de la texture tout en favorisant l'évacuation des gaz et matières dégagés par la texture lors de sa découpe. Selon un troisième aspect du procédé de l'invention, le support de l'outillage de découpe comprend une première et une deuxième plaques, la première plaque étant séparée de la deuxième plaque par une portion continument évidée. Dans ce cas, la première plaque peut être reliée à la deuxième plaque par des éléments de liaison en forme de U s'étendant sous lesdites plaques. Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en perspective d'une texture fibreuse brute de tissage, - la figure 2 est une vue schématique en perspective d'un 25 outillage de découpe conforme à un mode de réalisation de l'invention, - la figure 3 est une vue partielle de dessous montrant des éléments de liaison entre les plaques de support de l'outillage de la figure 2, - la figure 4 est une vue schématique en perspective de 30 l'outillage de la figure 2 après positionnement de la texture fibreuse de la figure 1 et pendant la mise en place d'une bâche étanche sur l'outillage, - la figure 5 est une vue schématique en perspective de l'outillage de la figure 4 après mise en place de la bâche étanche et montrant le début d'une opération de découpe au laser de la texture 35 fibreuse conformément à un mode de réalisation du procédé de l'invention, - la figure 6 est une vue en coupe de l'outillage de la figure 5 selon le plan de coupe P indiqué sur la figure 5, - la figure 7 est une vue schématique en perspective montrant une préforme fibreuse obtenue après découpe au laser de la texture 5 fibreuse de la figure 1 conformément à un mode de réalisation de l'invention. Description détaillée de modes de réalisation L'invention s'applique d'une manière générale à la découpe de 10 préformes fibreuses dans des textures obtenues par tissage de fils de carbure de silicium, les préformes étant destinées à former des renforts pour des pièces en matériau composite, la préforme fibreuse étant densifiée par formation d'une matrice dans tout ou partie du volume de celle-ci, le matériau constitutif de la matrice pouvant être déposé dans la 15 préforme de façon connue en soi par le procédé voie liquide, le procédé voie gazeuse, ou une combinaison de ces deux procédés. La structure fibreuse est réalisée de façon connue par tissage au moyen d'un métier à tisser de type jacquard sur lequel on a disposé un faisceau de fils de chaînes ou torons en une pluralité de couches, les fils 20 de chaînes étant liés par des fils de trame ou inversement. La texture fibreuse peut être réalisée par tissage bidimensionnel ou tissage tridimensionnel. Par « tissage bidimensionnel », on entend ici un mode de tissage classique par lequel chaque fil de trame passe d'un côté à l'autre de fils d'une seul couche de chaîne ou inversement. Par « tissage 25 tridimensionnel » ou « tissage 3D » ou encore « tissage multicouche », on entend ici un mode de tissage par lequel certains au moins des fils de trame lient des fils de chaîne sur plusieurs couches de fils de chaîne ou inversement. Un exemple de tissage tridimensionnel est le tissage dit à armure « interlock ». Par tissage « interlock », on entend ici une armure 30 de tissage dans laquelle chaque couche de fils de trame lie plusieurs couches de fils de chaîne avec tous les fils d'une même colonne de trame ayant le même mouvement dans le plan de l'armure. D'autres types de tissage multicouche connus pourront être utilisés, comme notamment ceux décrits dans le document WO 35 2006/136755. La figure 1 représente une texture fibreuse 10 obtenue par tissage tridimensionnel entre des fils de chaîne 11 et des fils de trame 12 de carbure de silicium. La texture fibreuse 10 présente des surlongueurs lla de fils de chaîne et des surlongueurs 12a de fils de trame qui doivent être découpées afin d'obtenir une préforme fibreuse qui sera ensuite densifiée par une matrice pour réaliser une pièce en matériau composite comme par exemple une aube pour moteur aéronautique. A cet effet et conformément à l'invention, la texture 10 est placée sur un outillage de découpe 100 comprenant un support 110 destinée à recevoir la texture à découper, le support 110 correspondant ici à une première et une deuxième plaques 112 et 113 en matériau métallique séparées l'une de l'autre par une portion évidée 111, la deuxième plaque 113 étant fixée sur un caisson creux 120 comme illustré sur la figure 2. La portion évidée 111 correspond au contour de la préforme à découper dans le texture fibreuse 10. La portion évidée 111 forme une séparation continue entre les première et deuxième plaques 112 et 113, aucune matière du support étant présente dans la portion évidée. Comme illustrée sur la figure 3, la première plaque 112 est maintenue dans le même plan horizontal que la deuxième plaque 113 au moyen de plusieurs éléments de liaison 114 fixés sur les faces inférieures 112b et 113b des plaques 112 et 113 opposées aux faces supérieurs 112a et 113a de ces plaques. Dans l'exemple décrit ici, les éléments de liaison 114 présentent chacun une structure en forme de « U » comportant deux branches 1141 et 1142 respectivement fixées aux plaques 112 et 113, par exemple par soudage ou brasage, les branches 1141 et 1142 étant reliées entre elles par une portion de jonction 1143. La forme de « U » des éléments de liaison permet de relier ensemble les plaques 112 et 113 sans présence de matière dans la portion évidée 111. En effet, les branches 1141 et 1142 s'étendent verticalement en dessous des plaques 112 et 113 sans apparaître dans la portion évidée 111 tandis que la portion de jonction 1143 qui s'étend sensiblement horizontalement entre les deux branches est située à une distance significative de la portion évidée 111. Bien entendu, tout autre structure d'éléments de fixation permettant de relier les plaques 112 et 113 sans présence de matière au niveau de la portion évidée 111 peut être utilisée et l'homme du métier envisagera 3006 92 7 6 sans difficultés d'autres formes d'éléments de liaison remplissant ces conditions. Dans l'exemple décrit ici, les première et deuxième plaques 112 et 113 comportent des multiperforations 1120 et 1130 tandis que le 5 caisson creux 120 comprend un manchon 121 communiquant avec l'espace interne du caisson, le manchon étant destiné à être relié à un système d'aspiration (non représentée). La texture fibreuse 10 est positionnée sur la première plaque 112 de manière à ce que la base des surlongueurs lla et 12a à découper 10 se situent au niveau de la portion évidée 111, la partie de la texture couvrant la première plaque 112 correspondant à la forme et aux dimensions de la préforme à obtenir. Dans l'exemple décrit ici et comme illustrée sur la figure 4, une bâche étanche 130 est placée sur le support 110 après avoir disposée la 15 texture fibreuse sur celui-ci. Une fois la texture fibreuse 10 et la bâche étanche 130 positionnées sur le support 110, on aspire l'air par le manchon 121, ce qui permet de plaquer la texture et la bâche sur le support entraînant également un compactage de la texture (figure 5). 20 A ce stade, l'opération de découpe au laser proprement dite peut débuter. A cet effet, comme illustré sur la figure 5, on utilise une tête de découpe laser 140 émettant un faisceau laser 141, la tête et, par conséquent le faisceau laser, pouvant être déplacés dans différentes directions. Conformément à la présente invention, la tête de découpe laser 25 140 est déplacée de manière à ce que le faisceau laser 141 frappe la texture fibreuse dans des zones situées au-dessus de la portion évidée 111, à savoir ici la base des surlongueurs lia et 12a. Au début de l'opération de découpe, la tête 140 est placée de manière à ce que le faisceau laser frappe un point de la texture situé au-dessus de la portion 30 évidée 111. La tête 140 est ensuite déplacée lors de la découpe de la texture suivant un chemin de découpe aligné sur la portion évidée 111 de manière à éviter un contact entre le faisceau laser 141 et le support de découpe 110. Comme illustré sur la figure 6, lors de l'opération de découpe, le 35 faisceau laser 141 traverse la texture fibreuse 10 sans toucher les plaques 112 et 113 du support 110. La matière et les espèces gazeuses dégagées de la texture lors du passage du faisceau laser 141 sont aspirées à l'intérieur du caisson 120 puis évacuées par le manchon 121. Les portions de jonctions 1143 des éléments de liaison 114 sont situées à une distance D des plaques 112 et 113 qui est déterminée de 5 manière à tenir ces portions suffisamment éloignées du point focal du faisceau laser qui est réglé pour que son point focal soit situé environ au milieu de l'épaisseur de la texture à découper. Ainsi, même lorsqu'elles sont frappées par le faisceau laser, celui-ci ne présente pas une concentration d'énergie suffisante pour attaquer significativement le 10 matériau des portions de jonction. Il n'y a donc pas de risque de pollution de la texture fibreuse par les portions de jonction. Une distance D d'environ 3 cm est typiquement suffisante. La Déposante a constaté que pour obtenir un effet cautérisant sur les fils de SiC qui permet d'éviter tout effilochage de la préforme lors 15 de ses manipulations, il faut utiliser un laser ayant une puissance minimum déterminée, par exemple de plusieurs centaines de watts pour un laser au CO2. Par conséquent, afin d'obtenir un effet cautérisant sur les fibres SiC, il est nécessaire de disposer d'une puissance de laser relativement 20 importante qui, sans l'utilisation d'un support de découpe comprenant une portion évidée correspondant au chemin de découpe du faisceau laser de la texture, entraînerait une forte pollution de la texture par attaque du matériau du support. La Déposante a constaté que les fibres SiC des fils de la texture 25 sont dégradées sur une zone de 0,5 mm à partir de leur extrémité coupée au laser. Par ailleurs, dans le cas d'une découpe d'une texture fibreuse avec un laser au CO2, la Déposante a constaté qu'un dépôt de silice est présent sur environ 2 mm à partir de l'extrémité de la fibre SiC coupée. Par conséquent, lorsque cette dégradation et/ou dépôt de silice n'est pas 30 acceptable avec la suite du procédé de fabrication du matériau composite, les préformes fibreuses sont découpées suivant des dimensions permettant de laisser les parties des fibres dégradées et/ou couvertes de silice en dehors de la zone utile de la pièce à fabriquer, la pièce étant usinée après densification pour retirer la matière présente en dehors de la 35 zone utile. 3006 92 7 8 L'épaisseur de la préforme découpée pour une puissance de faisceau laser donnée est fonction de la vitesse d'avance du faisceau. Dans certains cas, plusieurs passes sont réalisées afin de découper la préforme sur son épaisseur totale. Le procédé de découpe de l'invention peut être mis en oeuvre sans le système d'aspiration et/ou sans utiliser une bâche comme décrit ci-avant. L'utilisation combinée d'une bâche et d'un système d'aspiration procure néanmoins des avantages supplémentaires. Sous l'effet de l'aspiration, la bâche étanche forme une poche de tirage du vide qui permet de compacter la structure fibreuse sur le support de l'outillage de découpe. Le compactage de la texture fibreuse permet de diminuer la puissance du laser nécessaire pour la découpe de celle-ci. En effet, plus la texture est compactée, plus le laser est focalisé au coeur de la matière de celle-ci. En compactant la texture, on diminue le nombre de réflexions, en particulier vis-à-vis des changements de matière (air/fibres) qui sont nombreux dans une texture non compactée, les réflexions réduisant l'efficacité de coupe du faisceau laser en le dispersant. A titre d'exemple, un laser d'une puissance de 1300 W est nécessaire pour découper une texture fibreuse de 5 mm d'épaisseur obtenue par tissage tridimensionnel de fils en fibres de carbure de silicium selon une armure "interlock" (armure de tissage dans laquelle chaque couche de fils de trame lie plusieurs couches de fils de chaîne avec tous les fils d'une même colonne de trame ayant le même mouvement dans le plan de l'armure). Une fois cette texture fibreuse compactée par une bâche comme décrit précédemment, la puissance du laser peut être diminuée de 25 % sans perte d'efficacité de coupe. L'utilisation d'une bâche combinée à un système d'aspiration permet également de réduire la pollution de la texture fibreuse car elle limite les dégagements et la dissipation des espèces gazeuses dans la texture.30 REVENDICATIONS1. Procédé de découpe par laser d'une préforme fibreuse dans une texture fibreuse (10) obtenue par tissage de fils de carbure de silicium (11, 12), le procédé comprenant le placement de la texture fibreuse (10) sur un support (110) d'un outillage de découpe (100) et la découpe par un faisceau laser (141) du contour de la préforme fibreuse dans la texture fibreuse (10), caractérisé en ce que le support (110) de l'outillage de découpe (100) comporte une portion continument évidée (111) délimitant le contour de la préforme à découper, le faisceau laser (141) étant déplacé lors de la découpe de la texture fibreuse (10) suivant un chemin de découpe aligné sur la portion continument évidée (111) de manière à éviter un contact entre le faisceau laser (141) et le support (110). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le support (110) de l'outillage de découpe (100) comprend une pluralité d'ouvertures (1120, 1130) coopérant avec un système d'aspiration de manière à plaquer la texture fibreuse (10) sur ledit support (110) de l'outillage de découpe et aspirer les gaz et les matières dégagés par la texture (10) lors de la découpe de ladite texture fibreuse. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'une bâche étanche (130) est placée sur la texture fibreuse (10) de manière à compacter ladite texture fibreuse sous l'effet de l'aspiration par la pluralité d'ouvertures (1120, 1130). 4. Procédé selon l'une quelconques des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le support (110) de l'outillage de découpe (100) comprend une première et une deuxième plaques (112, 113), la première plaque (112) étant séparée de la deuxième plaque (113) par la portion continument évidée (111). 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la 35 première plaque (112) est reliée à la deuxième plaque (113) par des éléments de liaison en forme de U (114) s'étendant sous lesdites plaques.