Brevet FR3011321A1 — publié le 20150403

PROCEDE DE CONTROLE D'UN LOT DE MATIERE UTILISE POUR OBTENIR DES COUCHES DE FIBRES DESTINEES A LA FABRICATION D'UNE PIECE EN MATERIAU COMPOSITE La présente invention se rapporte à un procédé de contrôle d'un lot de matière utilisé pour obtenir des couches de fibres destinées à la fabrication d'une pièce en matériau composite ainsi qu'à un procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite comprenant ledit procédé de contrôle. bans le domaine aéronautique, les matériaux composites sont de plus en plus utilisés pour réduire la masse d'un aéronef. Une pièce en matériau composite comprend des fibres, par exemple en carbone, noyées dans une matrice de résine, par exemple thermodurcissable. Selon un mode opératoire, dans un premier temps, on réalise une préforme de 10 fibres, de préférence préimprégnées, qui est ensuite polymérisée notamment dans un autoclave de manière à obtenir la pièce finale. Pour obtenir la préforme de fibres, des couches de fibres sont empilées successivement les unes sur les autres, les fibres étant orientées selon au moins une direction déterminée pour chaque couche en fonction des caractéristiques 15 mécaniques recherchées. Pour augmenter la productivité, des machines automatiques telles que des machines à draper appelées ATL (pour Automated Tape Laying en anglais) sont utilisées pour réaliser l'empilage des couches de fibres. Selon un mode de réalisation, les couches de fibres sont découpées dans une 20 bande de fibres stockée sous forme d'une bobine, la bande de fibres étant plaquée sur un support sous la forme d'une pellicule en papier ou en matière plastique ayant un rôle de séparateur lorsque la bande est bobinée. L'absence d'ondulations des fibres est un critère important pour la qualité de la pièce finale. Les ondulations des fibres peuvent provenir des couches de fibres ou être générées lors de l'empilage des couches ou lors de la polymérisation. Ainsi, préalablement à leurs mises en place, les couches de fibres peuvent présenter des contraintes qui tendent à générer des ondulations de fibres dans les couches de fibres. Par exemple, lors de la fabrication de la bande de fibres, lorsque le support est à l'état étiré au moment où les fibres y sont placées, le relâchement de l'extension du support va provoquer la compression des fibres qui vont onduler et rester dans cet état dans la préforme de fibres. Selon un autre aspect, la bande de fibres étant bobinée, il existe une différence de tension entre les fibres proches de la surface interne et celles proches de la surface externe qui conduit à avoir des fibres comprimées au niveau de la surface interne de la bande de fibres bobinée. Cet état comprimé des fibres au niveau de la surface interne est d'autant plus important que la bande est épaisse et que le rayon de bobinage est réduit. bans le cas d'une bande de fibres bobinée proche de sa date de péremption, la résine qui imprègne les fibres est plus « sèche » si bien que les fibres proches de la surface interne tendent à conserver leurs ondulations lors de l'empilage des couches de fibres. Il n'existe aucun contrôle non destructif permettant de garantir l'absence d'ondulations de fibres. Le seul contrôle possible consiste à découper une pièce finie selon des sections localisées afin d'observer les couches de fibres au microscope. Or, cette phase de contrôle n'est possible qu'à la fin du procédé de fabrication des pièces. Par conséquent, si la couche de fibres présente un défaut préalablement à l'empilage, il n'est détecté qu'à l'issue du procédé et les étapes de dépose des couches et de polymérisation sont réalisées inutilement. La présente invention vise à remédier aux inconvénients de l'art antérieur. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de contrôle d'un lot de matière utilisé pour obtenir des couches de fibres permettant de déterminer, préalablement à son utilisation pour la réalisation d'une préforme de fibres en vue d'obtenir une pièce en matériau composite, si le lot de matière est conforme et ne risque pas d'engendrer des ondulations dans la pièce en matériau composite obtenue. Selon l'invention, le procédé de contrôle se caractérise en ce qu'il comprend les étapes suivantes qui consistent à: - Prélever un échantillon dans le lot de matière, - Exercer un effort de traction sur l'échantillon, - Chauffer l'échantillon de manière à détendre les fibres si l'échantillon contient des contraintes, - Après une durée déterminée, ne plus chauffer et ne plus exercer l'effort de traction sur l'échantillon, - mesurer un allongement résiduel de l'échantillon qui correspond à une variation de longueur d'au moins une partie de l'échantillon selon la direction de l'effort de traction, avant et après l'effort de traction, - Considérer que le lot de matière n'est pas conforme si l'allongement résiduel dépasse un seuil donné. Selon une caractéristique, l'effort de traction est supérieur ou égal à 4 daN/mm2 de section droite de l'échantillon. De préférence, l'échantillon est tendu et maintenu tendu avant et après l'effort de traction lors de la mesure de l'allongement résiduel. Avantageusement, on applique un effort pour tendre l'échantillon de 0,16 daN/mm2 de section droite de l'échantillon. Selon un mode opératoire, l'échantillon est chauffé à une température de l'ordre de 100°C. Selon une autre caractéristique, l'échantillon se présente sous la forme d'une bande avec une longueur de l'ordre de 10m, l'effort de traction étant exercé selon la longueur de l'échantillon. be préférence, les fibres de l'échantillon sont orientées selon la direction de l'effort de traction. Selon un mode opératoire, l'échantillon comprend une première extrémité fixe qui est reliée à un point fixe d'un référentiel et une seconde extrémité mobile au niveau de laquelle est exercé un effort. bans ce cas, de préférence, on réalise une première marque sur l'échantillon à proximité de la seconde extrémité et une seconde marque sur le référentiel, la première marque et la seconde marque étant disposées selon une direction sécante à la direction de l'effort de traction, l'allongement résiduel correspondant à la variation de la longueur avant et après l'effort de traction entre la première marque et la seconde marque. Selon une autre caractéristique, pour un échantillon avec une longueur de 10 m et une largeur de l'ordre de 6 mm, le seuil est de l'ordre de 0,8 mm pour un lot de matière avec une densité de 270 g/m2 fibres pré-imprégnées. Selon une autre caractéristique, pour un échantillon 10 avec une longueur de 10 m 20 et une largeur de l'ordre de 6 mm, le seuil est de l'ordre de 1 mm pour un lot de matière avec une densité de 198 g/m2 fibres pré-imprégnées. Selon une autre caractéristique, pour un échantillon 10 avec une longueur de 10 m et une largeur de l'ordre de 6 mm, le seuil est de l'ordre de 1,2 mm pour un lot de matière avec une densité de 135 g/m2 fibres pré-imprégnées. 25 L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite comprenant un procédé de contrôle d'un lot de matière utilisé pour obtenir des couches de fibres, préalablement à l'utilisation desdites couches de fibres. 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 les figures 1A à 1B sont des vues de dessus d'un échantillon lors des différentes étapes du procédé de l'invention. Selon un mode opératoire, une pièce en matériau composite est obtenue en polymérisant une préforme de fibres qui comprend un empilage de couches de fibres. De préférence, les fibres sont pré-imprégnées d'une résine. A titre d'exemple, les fibres sont en carbone et la résine thermodurcissable. Les couches de fibres sont découpées dans une bande de fibres à savoir un 10 élément de grande longueur par rapport à sa largeur. Pour donner un ordre de grandeur, la bande de fibres a une épaisseur inférieure à 1 mm, une largeur de l'ordre de 150 à 300 mm et une longueur supérieure ou égale à 10 m. La bande de fibres comprend des fibres orientées selon au moins une direction 15 déterminée en fonction des propriétés mécaniques recherchées pour la pièce. La bande de fibres est généralement stockée sous la forme d'une bobine. Avantageusement, un support sous la forme d'une fine pellicule en papier et/ou en matière plastique est plaqué contre au moins l'une des faces de la bande pour assurer la fonction de séparateur lorsque la bande est bobinée. 20 La nature des fibres et de la résine, les dimensions des couches, le mode opératoire de l'empilage et de la polymérisation ne sont pas plus détaillés car ils sont connus de l'homme du métier. Dans tous les cas, les couches de fibres proviennent d'un lot de matière qui prend selon un mode de stockage la forme d'une bobine. D'autres agencements 25 pourraient être envisagés pour le lot de matière comme par exemple un pliage en accordéon. Préalablement à son utilisation pour former des couches de fibres qui seront par la suite empilées les unes sur les autres de manière à obtenir une préforme, le 3 0 1 13 2 1 6 lot de matière est contrôlé de façon à vérifier s'il comprend des contraintes susceptibles de générer des ondulations de fibres dans la préforme. Cette solution permet d'éviter d'utiliser un lot défectueux pour fabriquer des pièces en matériau composite. 5 Selon un mode opératoire, le procédé de contrôle du lot de matière utilisé pour obtenir des couches de fibres comprend les étapes qui consistent à : - Prélever un échantillon 10 dans le lot de matière, - Exercer un effort de traction F sur l'échantillon 10, - Chauffer l'échantillon 10 de manière à détendre les fibres si l'échantillon contient des contraintes comme par exemple des ondulations ou des micro-ondulations de fibres, - Après une durée déterminée, ne plus chauffer et ne plus exercer un effort de traction F sur l'échantillon 10, - mesurer un allongement résiduel de l'échantillon 10, - Considérer que le lot de matière n'est pas conforme si l'allongement résiduel dépasse un seuil donné. L'allongement résiduel correspond à une variation de longueur d'au moins une partie de l'échantillon 10 selon la direction de l'effort de traction F, avant et après d'avoir exercé l'effort de traction F. Il est noté d sur la figure 1C. L'effort de traction F doit être significatif et supérieur ou égal à 4 daN/mm2 de section droite de l'échantillon, ceci pour permettre d'étendre les fibres en éliminant les ondulations qu'elles peuvent avoir lorsqu'elles sont maintenues par la résine à 20°C. Ainsi, l'effort de traction F est fonction de la section droite de l'échantillon. Par section droite, on entend la surface de la section de la fibre dans un plan perpendiculaire à la longueur de la fibre. Avantageusement, l'échantillon 10 est découpé selon la longueur de la bande de fibres lorsque le lot de matière se présente sous la forme d'une bobine de grande largeur (150 ou 300 mm). 301 1 3 2 1 7 De préférence, l'échantillon 10 a une longueur L de l'ordre de 10 m pour que l'allongement résiduel soit significatif et donc facilement mesurable. Selon un mode de réalisation, l'échantillon 10 a une longueur de l'ordre de 10 m et une largeur I de l'ordre de 6 à 10 mm. 5 Selon une autre caractéristique de l'invention, l'effort de traction F est exercé selon une direction parallèle à la longueur de l'échantillon, la longueur correspondant à la plus grande dimension de l'échantillon. Avantageusement, l'échantillon 10 est découpé dans le lot de matière de manière à ce que les fibres de l'échantillon soient orientées selon la direction de l'effort 10 de traction F. Selon un mode de réalisation, l'échantillon 10 comprend une première extrémité 12 fixe, reliée à un point fixe d'un référentiel 14 telle qu'une table et une seconde extrémité 16 mobile au niveau de laquelle est exercé un effort. La première extrémité 12 est reliée à un point fixe de manière à garantir l'absence 15 de glissement entre la première extrémité 12 et le référentiel 14. Selon un mode opératoire, avant d'exercer l'effort de traction F, on réalise une première marque 18 sur l'échantillon 10 à proximité de la seconde extrémité 16 et une seconde marque 20 sur un référentiel 14 fixe, comme par exemple la table, la première marque 18 et la seconde marque 20 étant disposées selon une 20 direction sécante à la direction de l'effort de traction F et de préférence perpendiculaire à la direction de l'effort de traction F. La première marque 18 et la seconde marque 20 sont avantageusement des traits. Selon un mode de réalisation, la première marque 18 s'étend à partir d'un bord 22 de l'échantillon et la seconde marque 20 est disposée dans le prolongement de la première 25 marque 18. Selon ce mode opératoire, pour déterminer l'allongement résiduel, il convient de mesurer la distance séparant la première marque 18 et la seconde marque 20 lorsqu'on n'exerce plus l'effort de traction F. Selon une caractéristique de l'invention, lors de l'effort de traction F, l'échantillon est porté à une température de l'ordre de 100°C. Selon un mode de réalisation, on utilise un pistolet à air chaud que l'on déplace à une vitesse lente, par exemple de l'ordre de 100 mm/s, en face de l'échantillon, selon sa longueur, en effectuant plusieurs allers retours, de l'ordre d'une dizaine de façon à ce que les fibres qui potentiellement ondulent aient le temps de se détendre sous l'effet de l'effort de traction. De préférence, l'échantillon est tendu et maintenu tendu avant et après l'effort de traction F, lors de la mesure de l'allongement résiduel. A cet effet, on exerce 10 un effort f à au moins une extrémité de l'échantillon 10, notamment au niveau de la seconde extrémité 16. L'effort de traction F est nettement supérieur à l'effort f. Par nettement supérieur, on entend que l'effort de traction F est au moins 20 fois supérieur à l'effort f. 15 Pour donner un ordre de grandeur, l'effort f est de l'ordre de 0,16 daN/mm2 de section droite de l'échantillon. L'effort de traction F est de l'ordre de 8 daN/mm2 de section droite de l'échantillon. L'apposition des marques 18 et 20 est faite l'échantillon 10 tendu et la mesure de l'allongement résiduel est faite l'échantillon maintenu tendu. 20 La valeur du seuil au-delà duquel le lot de matière n'est pas conforme et risque de provoquer des défauts dans la pièce finale varie notamment en fonction de la nature des fibres et de la résine, de l'arrangement et de la densité des fibres, de la longueur et de la largeur de l'échantillon. Pour un échantillon 10 avec une longueur de 10 m et une largeur de l'ordre de 6 25 mm, le seuil est de l'ordre de 0,8 mm pour un lot de matière avec une densité de 270 g/m2 fibres pré-imprégnées, de l'ordre de 1 mm pour un de lot de matière avec une densité de 198 g/m2 fibres pré-imprégnées et l'ordre de 1,2 mm pour un lot de matière avec une densité de 135 g/m2 fibres pré-imprégnées. 301 1 3 2 1 9 Sur les figures 1A à 1C, on a représenté un mode opératoire. bans un premier temps, comme illustré sur la figure 1A, la première extrémité 12 de l'échantillon 10 est reliée au référentiel 14 et on tend l'échantillon 10 en exerçant un effort f au niveau de la seconde extrémité 16. On réalise les 5 marques 18 et 20 respectivement sur l'échantillon 10 et le référentiel 14. En suivant, comme illustré sur la figure 1B, on exerce un effort de traction F et on chauffe l'échantillon 10. Après un laps de temps de l'ordre de 15 minutes, on cesse de chauffer l'échantillon 10 et on relâche l'effort de traction F jusqu'à redescendre jusqu'à l'effort f. Au retour à l'effort f, on mesure la distance entre les deux marques 18 et 20, comme illustré sur la figure 1C. Si cette distance qui correspond à l'allongement résiduel d dépasse un seuil donné, le lot de matière est déclaré non conforme et n'est pas utilisé pour la réalisation des pièces en matériau composite. REVENDICATIONS1. Procédé de contrôle d'un lot de matière utilisé pour obtenir des couches de fibres, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes qui consistent à : - Prélever un échantillon (10) dans le lot de matière, - Exercer un effort de traction (F) sur l'échantillon (10), - Chauffer l'échantillon (10) de manière à détendre les fibres si l'échantillon (10) contient des contraintes, - Après une durée déterminée, ne plus chauffer et ne plus exercer l'effort de traction (F) sur l'échantillon (10), - mesurer un allongement résiduel de l'échantillon (10) qui correspond à une variation de longueur d'au moins une partie de l'échantillon selon la direction de l'effort de traction (F), avant et après l'effort de traction (F), - Considérer que le lot de matière n'est pas conforme si l'allongement résiduel dépasse un seuil donné. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'effort de traction (F) est supérieur ou égal à 4 daN/mm2 de section droite de l'échantillon. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'échantillon (10) est tendu et maintenu tendu avant et après l'effort de traction (F) lors de la mesure de l'allongement résiduel. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on applique un effort pour tendre l'échantillon (10) de l'ordre de 0,16 daN/mm2 de section droite de l'échantillon. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce 25 que l'échantillon (10) est chauffé à une température de l'ordre de 100°C. 301 1 3 2 1 11 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'échantillon (10) se présente sous la forme d'une bande avec une longueur de l'ordre de 10 m, l'effort de traction étant exercé selon la longueur de l'échanti I Ion. 5 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les fibres de l'échantillon sont orientées selon la direction de l'effort de traction (F). 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'échantillon (10) comprend une première extrémité (12) fixe qui est reliée à 10 un point fixe d'un référentiel (14) et une seconde extrémité (16) mobile au niveau de laquelle est exercé un effort. 9. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'on réalise une première marque (18) sur l'échantillon (10) à proximité de la seconde extrémité (16) et une seconde marque (20) sur le référentiel (14), la première 15 marque (18) et la seconde marque (20) étant disposées selon une direction sécante à la direction de l'effort de traction (F), l'allongement résiduel correspondant à la variation de la longueur avant et après l'effort de traction (F) entre la première marque (18) et la seconde marque (20). 10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce 20 que, pour un échantillon (10) avec une longueur de 10 m et une largeur de l'ordre de 6 mm, le seuil est de l'ordre de 0,8 mm pour un lot de matière avec une densité de 270 g/m2 fibres pré-imprégnées. 11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que, pour un échantillon (10) avec une longueur de 10 m et une largeur de l'ordre de 6 25 mm, le seuil est de l'ordre de 1 mm pour un lot de matière avec une densité de 198 g/m2 fibres pré-imprégnées. 12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que, pour un échantillon (10) avec une longueur de 10 m et une largeur de l'ordre de 6mm, le seuil est de l'ordre de 1,2 mm pour un lot de matière avec une densité de 135 g/m2 fibres pré-imprégnées. 13. Procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite comprenant un procédé de contrôle d'un lot de matière de couches de fibres selon l'une des revendications précédentes, préalablement à l'utilisation desdites couches de fibres. 14. Pièce en matériau composite obtenue à partir du procédé de fabrication selon la revendication 13.