Brevet FR3033279A1 — publié le 20160909

Arrière-plan de l'invention La présente invention concerne la réalisation de pièces de révolution en matériau composite. Un domaine d'application de l'invention est plus particulièrement la réalisation de pièces en matériau composite structural, c'est-à-dire des pièces de structure à renfort fibreux et densifié par une matrice. Les matériaux composites permettent de réaliser des pièces ayant une masse globale moins élevée que ces mêmes pièces lorsqu'elles sont réalisées en matériau métallique. Dans le cas d'une pièce de forme de révolution, comme par exemple un carter de moteur d'avion, la préforme fibreuse destinée à former le renfort de la pièce est réalisée à partir d'une structure fibreuse enroulée sur un outillage de support entraîné en rotation. A cet effet, l'outillage comprend, en outre d'un fût sur lequel est enroulée la structure fibreuse, des moyens d'entrainement, comme par exemple un moyeu solidaire de la partie interne du fût, permettant à une machine d'entraîner en rotation l'outillage pendant l'enroulement de la structure fibreuse. Une fois la préforme fibreuse réalisée, c'est-à-dire à la fin de l'enroulement de la texture fibreuse, l'outillage portant la préforme fibreuse est transporté jusqu'à une étuve ou four dans lequel la densification de la préforme par une matrice est réalisée, la matrice pouvant être notamment obtenue par injection et polymérisation d'une résine précurseur de la matrice. Cependant, l'outillage utilisé à la fois pour la formation de la préforme fibreuse par enroulement et la densification de la préforme présente une masse importante qui entraîne des inconvénients dans la fabrication de la pièce en matériau composite. En effet, comme décrit ci- avant, après formation de la préforme, l'outillage doit être manipulé à plusieurs reprises, notamment lors de son démontage de la machine d'entraînement en rotation, de son placement sur un chariot de transport et de son placement dans l'étuve ou four. En outre, la masse importante de l'outillage pénalise la mise en température du moule dans l'étuve ou four ou par tout autre moyen de chauffage du moule, la durée de chauffe jusqu'à stabilisation étant fonction de la masse totale du moule (inertie thermique). 3033279 2 Un exemple d'outillage est par exemple décrit dans le document US 2013/0087955, le corps de l'outillage divulgué dans ce document ayant une face externe sur laquelle une bande fibreuse peut être enroulée. 5 Objet et résumé de l'invention Il est donc souhaitable de pouvoir disposer d'une solution pour avoir un outillage permettant de réaliser à la fois la formation par enroulement de préformes fibreuses et leur densification et qui ne 10 présente pas les inconvénients précités. A cet effet, selon l'invention, il est proposé un outillage de support et de moulage comprenant un fût présentant une surface externe sur laquelle une bande fibreuse est destinée à être enroulée. L'outillage comprenant en outre dans son volume interne un moyeu et une pluralité 15 de rayons s'étendant entre le moyeu et une surface interne du fût, l'extrémité distale de chaque rayon étant fixée sur le fût par des moyens de liaison démontables. Ainsi, l'outillage selon l'invention peut être utilisé à la fois pour former une préforme fibreuse par enroulement et pour la densification 20 ultérieure de la préforme par une matrice, et ce avec une masse et une inertie thermique réduites lors des manipulations et des traitements thermiques réalisés après la formation de la préforme. En effet, les rayons et le moyeu utilisés pour entraîner en rotation l'outillage lors de la formation de la préforme fibreuse peuvent être démontés de l'outillage à 25 l'issue de cette opération, ce qui permet de réduire significativement la masse et l'inertie thermique de l'outillage. En outre, séparer les rayons du fût pour les opérations de chauffage et d'injection de résine permet d'éviter que ces rayons ne contrarient l'application isostatique de pression pendant l'injection car les rayons pourraient avoir un effet de raidissement 30 local du fût, au détriment de la constance de l'épaisseur de la pièce obtenue. L'absence de rayon permet d'homogénéiser les déformations dans la pièce en évitant les déformations différentes entre des portions qui seraient à proximité des rayons par rapport à des portions qui seraient plus éloignées des rayons. 35 Selon un aspect de l'outillage de l'invention, l'extrémité distale de chaque rayon comprend une portion de fixation comportant une face 3033279 3 d'assemblage en contact avec une face d'assemblage d'un support de fixation solidaire de la surface interne du fût. Cette configuration permet un démontage et un remontage des rayons et du moyeu de manière fiable et aisée. 5 Selon un autre aspect de l'invention, les portions de fixation des rayons sont fixées sur les supports de fixation du fût par des organes de serrage. Selon une caractéristique particulière de l'outillage de l'invention, les faces d'assemblage des portions de fixation et les supports de fixation 10 du fût s'étendent suivant un angle non nul par rapport à l'axe du fût. Cette conicité permet de faciliter la mise en place des rayons et du moyeu sur l'outillage. Selon une autre caractéristique particulière de l'invention, la face d'assemblage des portions de fixation des rayons comporte un premier 15 élément de centrage coopérant avec un deuxième élément de centrage présent sur la face d'assemblage des supports de fixation du fût. Le centrage et le montage des rayons et du moyeu sur l'outillage sont ainsi facilités. La face d'assemblage des portions de fixation des rayons peut notamment comporter un tenon de forme déterminée engagé dans une 20 rainure de forme correspondante ménagée dans la face d'assemblage des supports de fixation du fût. L'invention à également pour objet un procédé de réalisation d'une pièce de révolution en matériau composite comprenant : la formation d'une texture fibreuse en forme de bande, 25 l'enroulement de ladite texture sur la surface externe d'un outillage de support et de moulage selon l'invention, - le retrait du moyeu et des rayons dudit outillage, - le placement dans une étuve de la préforme fibreuse enroulée sur le fût et enfermée sur ce dernier par un contre moule, 30 - la densification de la préforme par une matrice de manière à obtenir une pièce de révolution en matériau composite comprenant un renfort fibreux densifié par une matrice. Selon une caractéristique particulière du procédé de l'invention, celui-ci comprend, après l'étape de densification de la préforme fibreuse, 35 les étapes suivantes : 3033279 4 le démoulage de la pièce de révolution en matériau composite, - le nettoyage du fût de l'outillage, - le remontage du moyeu et des rayons sur ledit outillage. 5 Selon une autre caractéristique particulière du procédé de l'invention, la texture fibreuse est obtenue par tissage tridimensionnel ou multicouche entre une pluralité de couches de fils de chaîne et une pluralité de couches de fils de trame. Selon encore une autre caractéristique particulière du procédé de 10 l'invention, la densification de la préforme fibreuse comprend l'injection d'une résine dans ladite préforme et la polymérisation de la résine. Brève description des dessins 15 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'un 20 outillage de support et de moulage conformément à un mode de réalisation de l'invention montrant la formation d'une préforme fibreuse par enroulement de la texture fibreuse sur l'outillage, les figures 2A et 2B sont des vues schématiques en perspective montrant respectivement la déconnexion de l'outillage de la 25 figure 1 d'un arbre d'entraînement en rotation et la dépose dudit outillage sur un chariot de transport, - la figure 3 est une vue en perspective montrant le démontage des moyens d'entraînement en rotation de l'outillage de la figure 1, 30 la figure 4 est une vue schématique en perspective montrant les moyens de connexion entre une portion de fixation d'un rayon et un support de fixation de l'outillage de la figure 1, la figure 5 est une vue en coupe des moyens de connexion de la figure 4 une fois montés, 35 - la figure 6 est une vue en coupe montrant une variante de réalisation de moyen de centrage entre une portion de fixation d'un rayon 3033279 5 et un support de fixation d'un outillage de support et de moulage conforme à l'invention, la figure 7 est une schématique montrant la constitution d'un moule à partir de l'outillage de la figure 1, 5 la figure 8 est un carter en matériau composite de soufflante de moteur d'avion obtenu conformément au procédé de l'invention. Description détaillée de modes de réalisation 10 L'invention s'applique d'une manière générale à la réalisation de pièces de révolution en matériau composite tels que des carters pour moteur d'avion comme par exemple des carters de soufflante, ces pièces étant obtenue par réalisation de préformes fibreuses par enroulement et densification de ces préformes avec une matrice. Ces pièces telles que des 15 carters de moteur d'avion sont de grandes dimensions, pour diverses gammes de ces moteurs type turbomachines de propulsion d'avion, ces carters pouvant avoir un diamètre de l'ordre d'un mètre jusqu'à trois mètres. Conformément à l'invention et comme décrit ci-après en détail, la 20 présente invention propose d'utiliser un outillage dont les moyens d'entraînement en rotation peuvent être démontés après la formation par enroulement de la préforme fibreuse afin d'alléger la masse de l'outillage en vue des opérations ultérieures de manipulation, transport et chauffe. La réalisation de la préforme fibreuse débute par la formation d'une 25 texture fibreuse sous forme d'une bande qui est ensuite enroulée sur un outillage de support et de moulage comme illustré sur la figure 1. La texture fibreuse 100 est ici destinée à former une préforme fibreuse d'un carter de moteur d'avion. La texture fibreuse 100 est obtenue par tissage tridimensionnel ou 30 multicouche réalisé de façon connue au moyen d'un métier à tisser de type jacquard sur lequel on a disposé un faisceau de fils de chaînes 101 ou torons en une pluralité de couches, les fils de chaînes étant liés par des fils de trame 102. Dans l'exemple décrit ici, le tissage multicouche est un tissage à armure "interlock". Par tissage "interlock", on entend ici une 35 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 303 3 2 7 9 6 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 2006/136755 dont le contenu est incorporé ici par voie de référence. 5 La texture fibreuse selon l'invention est tissée à partir de fils tels que notamment, mais non exclusivement, des fils de fibres de carbone, de céramique tel que du carbure de silicium, ou encore de verre. Une fois la texture fibreuse 100 réalisée, celle-ci est mise en forme par enroulement sur un outillage de support. A cet effet et comme illustré 10 sur la figure 1, on utilise un outillage de support et de moulage 200 conformément à un mode de réalisation de l'invention. L'outillage de support et de moulage 200 comprend une virole ou fût 210 présentant une surface externe 211 sur laquelle la bande fibreuse 100 est enroulée de manière à obtenir une préforme fibreuse destinée ici à former le renfort 15 fibreux d'un carter de soufflante de moteur aéronautique en matériau composite. A cet effet et comme illustrée sur la figure 1, la surface externe 211 du fût 210 sur laquelle la texture fibreuse 100 est enroulée comporte une partie centrale 211a entourée par des brides verticales 211b et 211c présentes respectivement sur les deux extrémités du fût 210. 20 Afin de permettre l'entraînement en rotation du fût 210 lors de la formation de la préforme fibreuse par enroulement de la texture fibreuse 100, l'outillage 200 comprend en outre dans son volume interne 201 une pluralité de rayons 240 s'étendant entre un moyeu 230 et la surface interne 212 du fût 210. Lors de l'étape d'enroulement de la texture 25 fibreuse, le moyeu 230 est relié à des moyens d'entraînement en rotation, ici un arbre 10 connecté à un moteur rotatif (non représenté sur la figure 1). Une fois l'enroulement de la texture fibreuse terminé, par exemple après 3 à 7 tours d'enroulement, on obtient une préforme fibreuse 300 qui 30 peut être transportée avec l'outillage 200 comme illustré sur les figures 2A et 2B. Plus précisément, les figures 2A et 2B montrent respectivement la déconnexion de l'outillage 200 de l'arbre 10 (figure 2A) et la pose dudit outillage 200 avec la préforme 300 sur un chariot de transport 40 (figure 2B). Dans l'exemple décrit ici, les manipulations de l'outillage sont 35 réalisées au moyen de bras robotisés 31 et 32 d'une machine de retournement (non représentée sur les figures 2A et 2B). 3033279 7 Une fois l'outillage 200 déposé sur le chariot 40 avec la préforme fibreuse 300, on procède au démontage des rayons 240 et du moyeu 230 conformément à l'invention et comme illustré sur la figure 3. A cet effet, l'extrémité distale 241 de chaque rayon 240 est fixée de façon amovible 5 sur le fût 210. Dans le mode de réalisation décrit ici, l'extrémité distale 241 de chaque rayon 240 comprend une portion de fixation 2410 destinée à être fixée sur un support de fixation 250 solidaire de la surface interne 212 du fût 210 comme représentée sur la figure 4. Chaque portion de fixation 2410 des rayons 240 comporte une face d'assemblage 2411 10 destinée à venir en contact avec une face d'assemblage 2510 d'un support de fixation 250. Les portions de fixation 2410 des rayons 240 sont fixées aux supports de fixation 250 par des organes de fixation 260, ici des vis 260 traversant des orifices 2412 ménagés dans les portions de fixation 2410 et serrées dans des filetages 2512 réalisés dans les supports de 15 fixation 250. D'une manière générale, tout type d'organe de fixation (serrage, clipsage, etc.) permettant de fixer l'extrémité distale des rayons à la surface interne du fût de manière réversible peut être utilisé. Dans le mode de réalisation décrit ici, les faces d'assemblage 2411 des portions de fixation 2410 des rayons 240 et les faces d'assemblage 2510 des supports 20 de fixation 250 forment un angle e non nul avec l'axe Azio du fût 210. Cette faible conicité, obtenue par exemple avec un angle 0 égal à 1° environ, permet de faciliter, d'une part, le démontage des rayons 240 et du moyeu 230 lorsque l'outillage est couché sur le chariot 40 (figure 3) et, d'autre part, la mise en place des rayons 240 et du moyeu 250 lors de leur 25 remontage ultérieur sur l'outillage 200. Toujours dans le mode de réalisation décrit ici, les supports de fixation 250 comportent en outre un talon 251 qui joue le rôle de butée lors de la mise en place des rayons 240 et du moyeu 230 facilitant ainsi le maintien en place de ses éléments pendant le serrage des vis 260. 30 Comme illustré sur la figure 7, un moule 60 est ensuite constitué à partir du fût 210 supportant la préforme 300. A cet effet, une pluralité de secteurs 50 sont placés autour du fût 210, les secteurs 50 présentant la forme extérieure du carter à réaliser et constituant un demi-moule, qualifié de contre moule périphérique de fermeture, autour du fût pourvu 35 de la préforme. Le fût 210 et les secteurs 50 de contre moule enferment la préforme tout en ménageant une cavité pour contenir la préforme à 3 0 3 3 2 7 9 8 densifier. Le moule 60 est alors transporté sur le chariot 40 jusqu'à une étuve (non représentée sur la figure 7) où l'on va réaliser la densification de la préforme fibreuse La densification de la préforme fibreuse consiste à combler la 5 porosité de la préforme, dans tout ou partie du volume de celle-ci, par le matériau constitutif de la matrice. La matrice peut être obtenue de façon connue en soi suivant le procédé par voie liquide. Le procédé par voie liquide consiste à imprégner la préforme par 10 une composition liquide contenant un précurseur organique du matériau de la matrice. Le précurseur organique se présente habituellement sous forme d'un polymère, tel qu'une résine, éventuellement dilué dans un solvant. La préforme est placée dans un moule pouvant être fermé de manière étanche avec un logement ayant la forme de la pièce finale 15 moulée. Ensuite, on injecte le précurseur liquide de matrice, par exemple une résine, dans tout le logement pour imprégner toute la partie fibreuse de la préforme. La transformation du précurseur en matrice organique, à savoir sa 20 polymérisation, est réalisée par traitement thermique, généralement par chauffage du moule, après élimination du solvant éventuel et réticulation du polymère, la préforme étant toujours maintenue dans le moule ayant une forme correspondant à celle de la pièce à réaliser. La matrice organique peut être notamment obtenue à partir de résines époxydes, 25 telle que, par exemple, la résine époxyde à hautes performances vendue, ou de précurseurs liquides de matrices carbone ou céramique. Dans le cas de la formation d'une matrice carbone ou céramique, le traitement thermique consiste à pyrolyser le précurseur organique pour transformer la matrice organique en une matrice carbone ou céramique 30 selon le précurseur utilisé et les conditions de pyrolyse. A titre d'exemple, des précurseurs liquides de carbone peuvent être des résines à taux de coke relativement élevé, telles que des résines phénoliques, tandis que des précurseurs liquides de céramique, notamment de SiC, peuvent être des résines de type polycarbosilane (PCS) ou polytitanocarbosilane (PTCS) 35 ou polysilazane (PSZ). Plusieurs cycles consécutifs, depuis l'imprégnation 3033279 9 jusqu'au traitement thermique, peuvent être réalisés pour parvenir au degré de densification souhaité. Selon un aspect de l'invention, la densification de la préforme fibreuse peut être réalisée par le procédé bien connu de moulage par 5 transfert dit RTM ("Resin Transfert Moulding"). Conformément au procédé RTM, on place la préforme fibreuse dans un moule présentant la forme du carter à réaliser. Une résine thermodurcissable est injectée dans l'espace interne délimité par les parois du moule et qui comprend la préforme fibreuse. Un gradient de pression est généralement établi dans cet espace 10 interne entre l'endroit où est injecté la résine et les orifices d'évacuation de cette dernière afin de contrôler et d'optimiser l'imprégnation de la préforme par la résine. La résine utilisée peut être, par exemple, une résine époxyde. Les résines adaptées pour les procédés RTM sont bien connues. Elles 15 présentent de préférence une faible viscosité pour faciliter leur injection dans les fibres. Le choix de la classe de température et/ou la nature chimique de la résine est déterminé en fonction des sollicitations thermomécaniques auxquelles doit être soumise la pièce. Une fois la résine injectée dans tout le renfort, on procède à sa polymérisation par 20 traitement thermique conformément au procédé RTM. Après l'injection et la polymérisation, la pièce est démoulée. Cette opération est facilitée par la dilatation différentielle entre le moule métallique, par exemple en acier, et la pièce en composite. Au refroidissement, la pièce se décolle du fût. Ce dernier, en plusieurs parties 25 dont l'une est un corps cylindrique supportant les supports de fixation 250, est alors ouvert. Le fût peut être globalement en deux parties d'anneau qui ont chacune un flasque latéral du fût et qui se séparent axialement à l'ouverture. En variante, le fût peut avoir des flasques latéraux qui sont séparés du corps central portant ses supports de fixation, les flasques 30 étant alors séparés du corps. Au final, la pièce est détourée pour enlever l'excès de résine et les chanfreins sont usinés pour obtenir un carter 500 illustré en figure 8. En vue de l'enroulement de la texture fibreuse suivante pour la formation d'une nouvelle préforme fibreuse à densifier, le fût est nettoyé 35 et le moyeu et les rayons sont remontés sur l'outillage. 3033279 10 La forme et les dimensions des pièces en matériau composite réalisées avec la structure fibreuse de l'invention peuvent être variées et ne pas se limiter notamment à des carters mais à tout autre type de pièces en matériau composite qui peuvent être obtenues à partir d'une 5 préforme réalisée par enroulement d'une texture fibreuse. La figure 6 illustre une variante de réalisation dans laquelle les faces d'assemblage des portions de fixation des rayons et des supports de fixation comportent des moyens d'assemblage et de centrage. Plus précisément, la figure 6 illustre l'assemblage entre une extrémité distale 10 4410 d'un rayon 440 avec un support de fixation 450 solidaire de la surface interne 412 d'un fût 410 appartenant à un outillage 400. Le reste des éléments de l'outillage 400 sont identiques aux éléments de l'outillage 200 déjà décrits. Dans cette variante de réalisation, on réalise une liaison de type queue d'aronde entre les portions de fixation des rayons et les 15 supports de fixation qui n'ont pas d'angle d'inclinaison pour ce qui concerne les faces d'assemblage. A cet effet, les portions de fixation 4410 des rayons 440 comportent sur la face d'assemblage 4411 un tenon 4412 de forme trapézoïdale qui est engagé dans une rainure 4513 de forme correspondante ménagée dans la face d'assemblage 4510 des supports de 20 fixation 450. L'absence d'angle d'inclinaison favorise le coulissement sans trop de jeu de la liaison de type queue d'aronde. L'emplacement du tenon et de la rainure peuvent bien entendu être inversé, c'est-à-dire que le tenon est présent sur la face d'assemblage des supports de fixation tandis que la rainure correspondante est ménagée dans face d'assemblage des 25 portions de fixation des rayons. D'autres formes de tenons et de rainure peuvent être également envisagées tout comme d'autres moyens d'assemblage entre les faces des portions de fixation des rayons et les faces des supports de fixation. En variante de la liaison type queue, d'aronde, pour conserver l'angle d'inclinaison des faces d'assemblage, des 30 rainures et nervures radialement droites peuvent être prévues. REVENDICATIONS1. Outillage de support et de moulage (200) comprenant un fût (210) présentant une surface externe (211) sur laquelle une bande fibreuse (100) est destinée à être enroulée, caractérisé en ce qu'il comprend en outre dans son volume interne (201) un moyeu (230) et une pluralité de rayons (240) s'étendant entre le moyeu et une surface interne (212) du fût, l'extrémité distale de chaque rayon étant fixée sur le fût (210) par des moyens de liaison démontables. 2. Outillage selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'extrémité distale de chaque rayon (240) comprend une portion de fixation (2410) comportant une face d'assemblage (2411) en contact avec une face d'assemblage (2510) d'un support de fixation (250) solidaire de la surface interne (212) du fût (210). 3. Outillage selon la revendication 2, caractérisé en ce que les portions de fixation (2410) des rayons (240) sont fixées sur les supports de fixation (250) du fût (210) par des organes de serrage (260). 4. Outillage selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que les faces d'assemblage (2411, 2510) des portions de fixation (2410) et les supports de fixation (250) du fût (210) s'étendent suivant un angle non nul par rapport à l'axe (A21o) du fût (210). 5. Outillage selon l'une quelconque des revendications 2 à 3, caractérisé en ce que la face d'assemblage (4411) des portions de fixation (4410) des rayons (440) comporte un premier élément de centrage coopérant avec un deuxième élément de centrage présent sur la face d'assemblage (4510) des supports de fixation (450) du fût (410). 6. Outillage selon la revendication 5, caractérisé en ce que la face d'assemblage (4411) des portions de fixation (4410) des rayons (440) comporte un tenon (4412) de forme déterminée engagé dans une rainure (4513) de forme correspondante ménagée dans la face d'assemblage (4510) des supports de fixation (450) du fût (410). 303 3 2 7 9 12 7. Procédé de réalisation d'une pièce de révolution en matériau composite comprenant la formation d'une texture fibreuse (100) en forme de bande, 5 l'enroulement de ladite texture (100) sur la surface externe (211) d'un outillage (200) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, - le démontage du moyeu (230) et des rayons (240) dudit outillage, 10 - le placement dans une étuve de la préforme fibreuse (300) enroulée sur le fût (210) et enfermée sur ce dernier par un contre moule (50), la densification de la préforme (300) par une matrice de manière à obtenir une pièce de révolution en matériau composite (500) 15 comprenant un renfort fibreux densifié par une matrice. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend, après l'étape de densification de la préforme fibreuse, les étapes suivantes : 20 - le démoulage de la pièce de révolution en matériau composite (500), - le nettoyage du fût (210) de l'outillage (200), le remontage du moyeu (230) et des rayons (240) sur ledit outillage. 9. Procédé selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que la texture fibreuse (100) est obtenue par tissage tridimensionnel ou multicouche entre une pluralité de couches de fils de chaîne (101) et une pluralité de couches de fils de trame (102). 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que la densification de la préforme fibreuse (200) comprend l'injection d'une résine dans ladite préforme et la polymérisation de la résine. 25 30 35