Brevet FR3060412A1 — publié le 20180622

Procédé d'amélioration du transfert thermique local dans un autoclave et dispositif mettant en oeuvre un tel procédé DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention appartient au domaine de la fabrication de pièces en matériaux composites. L'invention concerne plus particulièrement une méthode pour l'amélioration du transfert thermique local dans un autoclave ou une étuve, 5 lors de la production de pièces structurales en matériaux composites. ÉTAT DE L'ART Les procédés d'élaboration de pièces en matériaux composites, et plus spécialement les procédés de fabrication de pièces structurales en composites à 10 matrice organique, sont connus dans l'industrie et permettent par leur diversité de s'adapter à différentes exigences selon leurs domaines d'application. En particulier, le procédé de moulage sous vide dans un autoclave est généralement utilisé pour la fabrication de pièces de hautes performances et est largement employé dans l'industrie aéronautique. Ce procédé consiste en une 15 mise sous vide de la pièce à fabriquer sous une membrane étanche suivie d'une application d'un cycle de pression et de température. Ce procédé permet le contrôle des paramètres de fabrication des pièces structurales. La fabrication de pièces dans une étuve emploie les mêmes principes mais sans application de cycle de pression dans l'enceinte thermique de ladite étuve. 20 En outre, le procédé autoclave assure une optimisation du taux de porosités, du contrôle des vitesses de chauffe et de refroidissement et de la température de fabrication. Cependant, les cycles de fabrication dans le procédé autoclave peuvent présenter des durées conséquentes, occasionnant des coûts de production élevés 25 et empêchant la généralisation d'un tel procédé aux pièces de grande série. D'autant plus que ces moyens de fabrication sont pilotés par une pression et une 3060412 2 température globales uniques imposées en consigne. Un autre inconvénient connu de ce procédé est le gradient thermique à l'intérieur de l'autoclave, qui est d'autant plus important que les dimensions de l'autoclave sont grandes, réduisant ainsi le volume utile de cuisson des pièces à cause des hétérogénéités de température. De plus, les valeurs élevées de la température et de la pression dans l'autoclave n'autorisent que très difficilement les mesures de vitesses d'écoulements de fluide (dirigeant les échanges thermiques par convection dans l'enceinte de l'autoclave) et de l'homogénéité de la température de la pièce, et par là même de contrôler le déroulement de la fabrication. Des solutions connues permettent néanmoins de pallier les problématiques liées au temps et au taux de production dans le procédé autoclave en utilisant par exemple : - un apport d'énergie thermique sous forme conductive, par un fluide caloporteur, ou radiative, par des panneaux rayonnants, à l'intérieur de l'autoclave ; - une augmentation de la convection forcée par une augmentation de la vitesse et ou de la pression, une optimisation du positionnement du moule dans le volume utile de cuisson, une réorientation des flux par le biais de rectifieurs en fonction des géométries de l'autoclave et des pièces structurales à fabriquer. Le document canadien CA 2762790 A1, à titre d'exemple, décrit un procédé d'optimisation de l'utilisation du volume d'un autoclave par simulation numérique, permettant une détermination des positions adéquates du moule à l'intérieur de l'autoclave et une modification contrôlée des flux avec des rectifieurs pour améliorer la productivité de l'autoclave. Cette solution reste néanmoins complexe, demande un temps de prétraitement conséquent et varie en fonction de la pièce à fabriquer et de la configuration de l'autoclave. Cette solution permet en effet une optimisation de l'utilisation du moyen existant sans améliorer l'efficacité du moyen lui-même. PRÉSENTATION DE L'INVENTION 3060412 3 Partant de cet état de fait, le demandeur propose une solution palliant aux limitations de l'art antérieur et décrit un procédé d'amélioration du transfert thermique local dans un autoclave comportant une enceinte, une conduite double-enveloppe munie d'un ventilateur de circulation du gaz, et un moule dans lequel 5 est fabriquée une pièce structurale, ledit procédé comprenant une étape préliminaire de mise en place de ladite pièce structurale dans ledit moule, ledit procédé comprenant : - une étape d'installation, au voisinage de la pièce structurale, d'un dispositif turbulateur qui augmente localement la turbulence de tout 1 0 écoulement de gaz le traversant ; - une étape de positionnement de la pièce structurale à un emplacement déterminé dans l'enceinte de l'autoclave ; - une étape de démarrage du cycle de cuisson de l'autoclave adapté à la pièce structurale. 15 L'augmentation de la turbulence dans l'écoulement du gaz de chauffage dans l'enceinte permet en effet de favoriser les échanges thermiques par convection forcée entre ladite enceinte et la pièce structurale à fabriquer lors de la cuisson. Ce procédé est remarquable en ce que l'étape d'installation du dispositif 20 turbulateur au voisinage de la pièce structurale consiste à positionner ledit dispositif turbulateur autour de la pièce structurale de façon à couvrir entièrement ou partiellement la face de ladite pièce qui sera la plus exposée au transfert thermique lors de la cuisson dans l'autoclave. Plus particulièrement, les dimensions du dispositif turbulateur sont choisies 25 en fonction des géométries et des dimensions de la pièce structurale fabriquée dans l'autoclave ainsi que des matériaux des outillages utilisés, de façon à couvrir entièrement ou partiellement la face de ladite pièce la plus exposée au transfert thermique par convection lors de la cuisson dans l'autoclave. Le procédé est donc adaptable à différentes géométries de pièces 30 structurales et peut également être appliqué à plusieurs pièces dans le même cycle de fabrication. 3060412 4 Conformément à une caractéristique particulièrement avantageuse, l'étape de positionnement de la pièce structurale dans l'autoclave consiste à introduire le moule dans lequel se trouve la pièce couverte par le dispositif turbulateur dans ledit autoclave à un emplacement, préalablement déterminé par simulation 5 numérique, qui garantit une efficacité maximale dudit dispositif turbulateur. L'invention a également pour objet un dispositif turbulateur de génération de turbulences locales pour la mise en oeuvre du procédé tel que décrit, ledit dispositif turbulateur comportant une ou plusieurs caractéristiques parmi des parties mobiles ou non, des surfaces ondulées, des cavités, des excroissances 10 et/ou toute autre formation favorisant l'apparition de turbulences locales au voisinage dudit dispositif turbulateur quand il est traversé par un écoulement de gaz. La présence de ces formations crée des perturbations maitrisées et prévues des écoulements de fluide de chauffe dans l'enceinte. 15 Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, le dispositif turbulateur est une grille métallique disposée au dessus de la pièce structurale placée dans le moule de l'autoclave. La grille métallique comporte dans un mode de réalisation des éléments fixes, des chicanes par exemple qui dévient l'écoulement du gaz et créent des 20 turbulences, ou des éléments rotatifs, pouvant être mis en mouvement par un écoulement du gaz dans l'enceinte, tels des lames, des ailettes ou des pales qui peuvent être motorisés ou non. Dans un mode de réalisation, les éléments rotatifs sont commandés à distance par un système en dehors de l'autoclave. 25 En particulier, le procédé d'amélioration du transfert thermique local dans un autoclave, selon l'invention, s'applique à la fabrication de pièces structurales en matériaux composites dans ledit autoclave. Le procédé décrit est particulièrement avantageux dans le cas d'autoclaves de fabrication de pièces haute performance en matériaux composites destinées à 30 l'industrie aéronautique par exemple. Les concepts fondamentaux de l'invention venant d'être exposés ci-dessus dans leur forme la plus élémentaire, d'autres détails et caractéristiques ressortiront plus clairement à la lecture de la description qui suit et en regard des dessins 3060412 5 annexés, donnant à titre d'exemple non limitatif un mode de réalisation d'un procédé d'amélioration du transfert thermique local dans un autoclave et d'un dispositif turbulateur mettant en oeuvre ledit procédé, conformes aux principes de l'invention. 5 BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES - La figure 1 représente un schéma général de l'invention montrant en coupe longitudinale un autoclave avec une pièce en préparation, les éléments du dessin n'étant pas nécessairement à la même échelle ; 10 - Les figures 2a et 2b représentent deux exemples du procédé selon deux modes de mise en oeuvre. DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE MODES DE RÉALISATION La figure 1 représente un schéma de principe de la mise en oeuvre du 15 procédé d'amélioration du transfert thermique local dans un autoclave 100 selon l'invention, ledit procédé s'applique dans le cas d'une fabrication en autoclave de pièces structurales en matériaux composites destinées en particulier à l'industrie aéronautique, comme par exemple des bords d'attaque de voilures dans le cas de structures secondaires ou des parties de fuselages dans le cas de structures 20 primaires. L'autoclave 100, selon l'exemple de réalisation de la figure 1, comporte principalement une enceinte 10 utilisée pour recevoir les pièces à fabriquer, des parois internes 20 délimitant ladite enceinte et pourvues d'une ouverture d'entrée 20a et d'une ouverture de sortie 20b, des parois externes 40 résistantes à la 25 pression qui règne dans l'autoclave et entourant les parois internes 20, et une conduite double-enveloppe 30 correspondant au volume intermédiaire situé entre lesdites parois internes et parois externes. Le procédé décrit, objet de la présente invention, a pour but d'améliorer localement le transfert thermique au voisinage d'un moule 11 placé dans 30 l'enceinte 10 de l'autoclave 100 par un dispositif turbulateur 15, placé au voisinage dudit moule, produisant des turbulences locales, ledit moule accueillant une structure 12 à fabriquer. 3060412 6 Dans l'exemple de réalisation illustré sur la figure 1, un gaz est circulé dans la conduite double-enveloppe 30 de l'autoclave 100 via un ventilateur 31 placé dans ladite conduite double-enveloppe. La conduite double-enveloppe 30 de l'autoclave 100 est formée par un 5 volume situé entre les parois internes 20 et les parois externes 40 dudit autoclave, l'enceinte 10 quant à elle correspond au volume délimité par les parois internes 20. L'ouverture d'entrée 20a et l'ouverture de sortie 20b permettent à l'enceinte 10 et la conduite double-enveloppe 30 de communiquer entre elles, et sont 10 réalisées, en vis-à-vis, chacune dans une paroi verticale appartenant aux parois internes 20 de l'autoclave 100 pour assurer une circulation générale du gaz dans l'enceinte. Le ventilateur 31 souffle le gaz dans la conduite double-enveloppe 30 de l'autoclave 100, ledit gaz pénètre ensuite dans l'enceinte 10 par l'ouverture 15 d'entrée 20a suivant ainsi un circuit continu. L'écoulement du gaz entrant 16a est alors modifié au voisinage du moule 11 par le dispositif turbulateur 15 lui faisant obstacle, ledit dispositif turbulateur perturbe l'écoulement et génère des turbulences locales améliorant l'homogénéisation de la température dans la zone de fabrication ainsi que les échanges thermiques. Le dispositif turbulateur 15 est 20 conformé pour produire des turbulences et par là même augmenter la turbulence de l'écoulement du gaz qui atteint le moule et la pièce. Le dispositif turbulateur 15 peut être tout ensemble comportant des parties mobiles, des surfaces ondulées, des cavités, des excroissances et/ou toute autre formation favorisant la turbulence locale, en causant des accidents de circulation et des recirculations dans 25 l'écoulement tout en restant relativement transparent à l'écoulement, tel une grille de diffusion par exemple. Selon les principes de l'invention, la modification de l'écoulement du gaz au voisinage du moule contenant la pièce structurale peut être qualifiée d'active ou de passive selon que le dispositif turbulateur 15, responsable de la création de 30 turbulences locales, contient des parties mobiles, pouvant être contrôlées par un système en dehors de l'autoclave, ou n'en contient pas. Dans le cas d'une modification active de l'écoulement, le dispositif turbulateur 15 comporte des parties mobiles, chacune s'animant d'un mouvement 3060412 7 de rotation autour d'un axe propre quand elle est traversée par l'écoulement du gaz. Un tel dispositif turbulateur peut être par exemple une grille métallique de dimensions prédéterminées, pouvant être modulable, et comportant des éléments rotatifs tels des lames, des ailettes ou des pales, lesdits éléments rotatifs pouvant 5 être motorisés ou simplement entrainés par le mouvement du gaz. Ainsi, le mouvement des parties mobiles du dispositif turbulateur 15 améliorent la diffusion et le mélange du gaz dans l'autoclave grâce aux tourbillons générés par lesdites parties mobiles et notamment dans une zone entourant la pièce structurale au voisinage de laquelle se trouve ledit dispositif turbulateur. 10 Dans le cas d'une modification passive de l'écoulement, le dispositif turbulateur 15 ne comporte aucune partie mobile et ne contient que des obstacles fixes qui perturbent l'écoulement du gaz en créant des zones de recirculation et donc de la turbulence locale. Un tel dispositif turbulateur est par exemple une grille comportant des éléments qui contrarient le cheminement naturel de l'écoulement 15 du gaz dans l'enceinte et crée de la turbulence dans celui-ci, ces éléments sont par exemple des chicanes, comme celles utilisées dans les échangeurs thermiques. Dans les deux cas actif et passif, qui peuvent être combinés, le dispositif turbulateur 15 comporte principalement une grille. Ceci est avantageux en raison 20 de la nature lacunaire d'une structure de type grille qui permet de perturber les écoulements du gaz facilement. . Dans l'exemple de réalisation illustré sur la figure 1, le dispositif turbulateur 15 comporte une grille permettant la formation de turbulences locales, dans l'écoulement du gaz au voisinage de ladite grille. En outre, la grille du dispositif 25 turbulateur 15 est placée au dessus de la pièce structurale 12 de sorte à déterminer un sous volume 17 de l'enceinte 10 enveloppant entièrement la face de ladite pièce la plus exposée au transfert thermique par convection forcée, ladite face correspond ici à une face de la pièce couverte par une membrane 13 souple et étanche. Un vide partiel étant réalisé dans un volume entre la membrane et la 30 pièce. Le dispositif turbulateur 15 permet ainsi une modification de la convection forcée autour de la pièce structurale 12, placée dans le moule 11, en régime d'écoulement turbulent du gaz de chauffage dans l'enceinte 10, et une 3060412 8 amélioration du brassage dudit gaz dans ladite enceinte, en particulier au voisinage du moule. En effet, le dispositif turbulateur 15 selon le mode de réalisation illustré et de part sa grille, génère des flux locaux au niveau des mailles de la grille, dits flux 5 bloquants, opposés au voisinage de la pièce structurale 12, à l'écoulement général du gaz dans l'enceinte 10. Cela a pour effet direct d'augmenter localement la turbulence de l'écoulement. À titre d'exemple, pour une pièce plane présentant une longueur de 2 m et au dessus de laquelle est placée une grille d'au moins 2m de longueur générant 10 de multiples flux bloquants au contact de la face exposée au gaz chauffant, via des obstacles de 1 mm de hauteur espacés de 1 mm sur ladite grille, le gain en transfert thermique entre ladite pièce plane et le gaz est augmenté de 12 % grâce aux flux bloquants. Ces résultats, vérifiés lors d'expérimentations, ont été mesurés pour un gaz 15 chauffant la pièce plane en question avec une vitesse du gaz, mesurée dans l'écoulement à l'entrée de l'enceinte, de 1 m/s et une différence de température entre ladite pièce plane et ledit gaz de 50 °C. Le gain en transfert thermique est calculé à partir du nombre adimensionnel de Nusselt (Nu), caractérisant le transfert thermique convectif entre la pièce plane 20 et le gaz en fonction de la conduction thermique dudit gaz, avec et sans présence de flux bloquants en quantifiant le rapport des deux nombres de Nusselt dans les deux cas. Comme précisé précédemment, l'écoulement du gaz sortant 16b est repris à l'ouverture de sortie 20b par le ventilateur 31 qui le réinjecte ensuite dans les 25 canalisations de la conduite double-enveloppe 30 de l'autoclave 100. La turbulence de l'écoulement au voisinage de la pièce structurale étant augmentée, le transfert thermique entre le gaz de chauffage de l'enceinte et ladite pièce structurale est donc amélioré par une augmentation locale des échanges par convection. 30 La figure 2a résume les principales étapes du procédé d'amélioration du transfert thermique dans un autoclave tel que l'autoclave 100 décrit. Le procédé est mis en oeuvre avant la cuisson de la pièce composite et se rapporte à la 3060412 9 préparation et à la mise en condition de ladite pièce pour que l'amélioration du transfert thermique s'opère de façon naturelle lors de la cuisson dans l'autoclave. Le procédé, objet de l'invention, comprend : - Une étape préliminaire 200 de mise en place de plis devant former la 5 pièce structurale 12 dans le moule 11 consistant en une phase de drapage, dans le cas d'une pièce composite à base de nappes préimprégnées, suivie d'une phase de placement sur ladite pièce de tissus d'environnement et de la membrane 13 en dernier lieu. Cette étape préliminaire 200 concerne des procédés existants de 10 fabrication sous vide d'une pièce composite en autoclave ; - Une étape 201a d'installation du dispositif turbulateur 15 préalablement défini à l'emplacement prédéfini au voisinage de la pièce structurale 12 consistant à positionner le dispositif turbulateur 15 autour de la pièce 12 de façon à couvrir entièrement la face de 15 ladite pièce la plus exposée au transfert thermique par convection lors de la cuisson dans l'autoclave. Le dispositif turbulateur 15 est par exemple fixé directement sur le moule 11 via des supports montés sur ledit moule ; - Une étape 202a de positionnement du moule 11 préparé à un 20 emplacement déterminé dans l'enceinte 10 de l'autoclave 100 établi par simulation numérique pour une efficacité optimale du dispositif turbulateur 15 ; - Une étape 300 d'exécution du cycle de cuisson, ledit cycle prenant en compte l'amélioration des échanges thermiques, entre la pièce 25 12 en question et l'autoclave 100, résultant de la mise en oeuvre du dispositif turbulateur 15. La figure 2b représente une variante du procédé de la figure 2a en proposant d'introduire la pièce 12 dans l'autoclave avant d'installer le dispositif turbulateur 15 autour de ladite pièce. Le procédé, selon l'exemple de réalisation 30 de la figure 2a, comprend donc : - L'étape préliminaire 200 ; 3060412 10 - Une étape 201b de positionnement du moule 11 et de la pièce structurale 12 qu'il contient à un emplacement déterminé dans l'enceinte 10 de l'autoclave 100 ; - Une étape 202b d'installation du dispositif turbulateur 15 5 préalablement défini à l'emplacement de l'étape 201b précédente au voisinage de la pièce 12 de façon à couvrir entièrement la face de ladite pièce la plus exposée au transfert thermique lors de la cuisson dans l'autoclave ; - L'étape 300 d'exécution du cycle de cuisson de la pièce 12. 10 Le procédé peut donc comporter l'étape 200 comme unique étape préliminaire dans le premier exemple de réalisation, et les étapes 200 et 201b comme étapes préliminaires dans le second exemple de réalisation. Dans le premier cas, le groupe d'étapes 400a comprend les étapes de 201a à 300 et caractérise le procédé. Dans le second cas, le groupe d'étapes 400b comprend 15 les étapes 202b et 300 et caractérise le procédé. Le procédé d'amélioration du transfert thermique local dans un autoclave ainsi décrit, peut être appliqué à toutes sortes d'enceintes thermiques avec ou sans pression interne (autoclaves ou étuves) et de pièces structurales, et ce, quelles que soient leurs géométries et leurs dimensions. Le procédé est aussi 20 indépendant de l'emplacement de la pièce structurale à l'intérieur de l'enceinte de l'autoclave car ledit procédé peut s'adapter à différents emplacements dans l'enceinte, et palie donc les limites imposées par le volume utile de cuisson dans l'autoclave jusqu'alors difficiles à surmonter. Le procédé peut être appliqué pour un autoclave afin de fabriquer plusieurs 25 pièces simultanément en mettant en oeuvre différents dispositifs turbulateurs simultanément et à différents emplacements d'un même autoclave en fonction du besoin de chacune des pièces fabriquées au même moment dans ledit autoclave. Le procédé objet de la présente invention permet alors de réduire le temps de cuisson et de refroidissement des pièces structurales fabriquées dans un 30 autoclave employant ledit procédé, de limiter les hétérogénéités thermiques persistantes dans les pièces de grandes dimensions après le cycle autoclave, d'augmenter la productivité tout en limitant le coût qu'engendrerait une 3060412 11 modification du système de chauffage de l'autoclave in situ, et d'agrandir le volume utile de cuisson dans les autoclaves. Le procédé d'amélioration du transfert thermique locale, tel que décrit, est destiné à tous les fabricants de pièces structurales en matériaux composites 5 utilisant des fours ou des autoclaves, et s'applique aussi bien dans les cas de polymérisation de thermodurcissables que dans les cas de cristallisation de thermoplastiques. REVENDICATIONS1. Procédé d'amélioration du transfert thermique local dans un autoclave (100) comportant une enceinte (10) dans laquelle circule un gaz, et un moule (11) dans lequel est fabriquée une pièce structurale (12), ledit procédé comprenant une étape préliminaire (200) de mise en place de ladite pièce structurale dans ledit moule, et caractérisé en ce qu'il comprend : - une étape (201a) d'installation, au voisinage de la pièce structurale (12), d'un dispositif turbulateur (15) qui augmente localement la turbulence d'un écoulement de gaz traversant ledit dispositif turbulateur ; - une étape (202a) de positionnement du moule (11) et de la pièce structurale (12) à un emplacement déterminé dans l'enceinte (10) de l'autoclave ; - une étape (300) d'exécution du cycle de cuisson de l'autoclave (100) adapté à la pièce structurale (12). 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape (201a) d'installation du dispositif turbulateur (15) au voisinage de la pièce structurale (12) consiste à positionner ledit dispositif turbulateur de façon à couvrir entièrement la face de ladite pièce la plus exposée au transfert thermique par convection lors de la cuisson dans l'autoclave. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel les dimensions du dispositif turbulateur (15) sont choisies en fonction des géométries et des dimensions de la pièce structurale (12) de façon à couvrir entièrement la face de ladite pièce structurale la plus exposée au transfert thermique par convection lors de la cuisson dans l'autoclave. 3060412 13 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape (202a) de positionnement du moule (11) et de la pièce structurale (12) dans l'autoclave (100) consiste à introduire ledit moule dans lequel se trouve ladite pièce couverte par le dispositif turbulateur (15) dans 5 l'enceinte (10) dudit autoclave à un emplacement préalablement déterminé par simulation numérique, 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la pièce structurale (12) fabriquée dans l'autoclave (100) est en 10 matériau composite. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le dispositif turbulateur (15) mis en oeuvre comporte une ou plusieurs caractéristiques parmi des parties mobiles, des surfaces ondulées, des 15 cavités, ou des excroissances, favorisant l'apparition de turbulences locales au voisinage dudit dispositif turbulateur quand il est traversé par un écoulement de gaz. 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel le dispositif turbulateur mis 20 en oeuvre comporte une grille munie d'éléments rotatifs pouvant se mettre en mouvement grâce aux écoulements de gaz présents dans l'enceinte. 8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel les éléments rotatifs sont motorisés. 25 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel les éléments rotatifs sont commandés à distance par un système en dehors de l'autoclave. 10. Procédé selon la revendication 6, dans lequel le dispositif turbulateur mis en oeuvre comporte une grille munie de chicanes déviant l'écoulement du gaz traversant ledit dispositif turbulateur et créant des turbulences locales au voisinage de ladite grille. 3060412 14 11 Autoclave (100) destiné à la cuisson d'une pièce structurale (12) caractérisé en ce qu'il comporte un moule (11) adapté à recevoir la pièce structurale pendant l'étape (300) du procédé selon l'une des revendications précédentes, et en ce qu'il comporte un dispositif turbulateur (15) agencé 5 au voisinage de la pièce structurale, lorsque ladite pièce structurale est installée dans le moule, de sorte à augmenter localement la turbulence sur une face de la pièce structurale pendant l'étape (300).