Brevet FR3060440A1 — publié le 20180622

BOITIER AUTO-RAIDI EN MATERIAUX COMPOSITES ET PROCEDE DE REALISATION DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE [0001] L'invention se rapporte à un boitier auto-raidi constitué de matériaux composites et à un procédé de réalisation d'un tel boitier. [0002] La fabrication de pièces ou d'architectures en matériau composite, en particulier de boitiers, permet de concurrencer les pièces métalliques connues pour des applications identiques. L'utilisation de matériaux composites pour constituer de telles pièces autorise des réductions de masse et de temps de fabrication de l'ordre de 50%. [0003] Une structure en matériau composite auto-raidie est en général composée d'une structure stratifiée comportant des nappes en matériau composite pouvant être associées à des raidisseurs pleins ou creux, également en matériau composite et s'étendant longitudinalement, radialement et/ou circulairement en fonction de la forme globale de la pièce. [0004] De telles structures auto-raidies sont destinées à constituer des pièces composites, principalement dans l'industrie aéronautique (fuselages monoblocs, carénages de mât de réacteur, panneaux de voilure, planchers d'aéronefs, etc.), l'industrie spatiale (antennes réflectrices), l'automobile ou encore pour les télécommunications (antennes d'émission/réception au sol), l'énergie renouvelable (pales d'éolienne), le ferroviaire ou le bâtiment. [0005] Le domaine de l'invention se rapporte plus particulièrement à la réalisation de boîtiers en matériaux composites à la place de boitiers métalliques. Ce remplacement permet de réduire les durées de cycles de fabrication (usinage et assemblage par vissage ou équivalent) des procédés classiques de transformation des métaux. 3060440 2 ÉTAT DE LA TECHNIQUE [0006] Une structure composite se compose à la base d'une nappe de fibres imprégnées d'une résine thermodurcissable, classiquement une résine époxy, formant un liant assurant la cohésion de la nappe et transmettant les 5 efforts. Les fibres utilisées sont en général des fibres de carbone ou de verre, des fibres acryliques et aramides renforcées par des hybridations type verre-kevlar® ou carbone-kevlar®, ou céramiques en fonction des caractéristiques de résistance mécanique ou thermique recherchées. [0007] Une peau est alors formée par drapage superposé de nappes 10 successives de fibres imprégnées de résine pour réaliser une texture composite stratifiée puis mise en configuration par tissage bi ou tridimensionnelle dans laquelle des raidisseurs sont liés pour former une structure auto-raidie. L'ensemble est mis sous vide puis la résine est polymérisée à l'aide d'un agent de réticulation par un traitement thermique dans un four, en général un four 15 autoclave. [0008]Ce traitement permet de réaliser une compaction des textures stratifiées avec un durcissement simultané de la résine, ce qui permet un collage de raidisseurs et de la texture stratifiée. La réticulation de la résine peut être accélérée par un traitement thermique ou par rayonnement ultérieur, après mise 20 en conformation de la structure à réaliser, en particulier par l'ajout de raidisseurs formant des nervures de renfort. [0009] Ces technologies ou assimilées peuvent être utilisées pour réaliser des coffrages ou structures tridimensionnelles dans les véhicules des domaines industriels précités (aéronautique, spatial, automobile, ferroviaire). De telles 25 structures sont décrites par exemple dans les documents de brevet FR 2 921 899, FR 2 989 977, US 5 239 822 ou US 6 367 391. [0010]Cependant, ces structures stratifiées conformées en boitier, par exemple pour servir de coffrets d'équipements mécaniques, électriques ou informatiques (abritant des relais, des serveurs, des commandes, etc.), de bac de 30 rétention de fluide ou de trappe d'accès structural d'aéronef ou encore pour toute autre application, ne présentent pas, à iso-fonction, les performances élevées que peuvent offrir les matériaux métalliques spéciaux - acier, alliages d'aluminium, de 3060440 3 titane ou de fer de type Invar® - en termes de propriétés physiques: faible coefficient de dilatation thermique, haute résistance mécanique à la traction, compression, flexion, torsion ou au cisaillement, etc. EXPOSÉ DE L'INVENTION 5 [0011] L'invention vise précisément une structure composite auto-raidie conformée en boitier et apte à posséder les propriétés physiques haute performance des boitiers réalisés en matériaux métalliques spéciaux. Pour ce faire, cette structure est constituée de couches de peau composite et de nappes unidirectionnelles s'étendant de manière optimisée. 10 [0012]A cet effet, la présente invention a pour objet un boitier auto-raidi comportant une peau de base tridimensionnelle en matériau composite stratifié, conformée selon des parois formant sensiblement un parallélépipède rectangle ouvert sur une face, et sur laquelle est drapé au moins un ensemble de résistance mécanique comprenant une couche de renfort constituée de portions de nappes 15 agencées en treillis et recouverte d'une couche de peau stratifiée en matériau composite s'étendant sur le parallélépipède, les nappes de renfort étant en matériau composite à fibres unidirectionnelles s'étendant parallèlement ou perpendiculairement à un plan longitudinal contenant l'axe longitudinal sans napper la face ouverte. 20 [0013] Dans ces conditions, les nappes de renfort à fibres unidirectionnelles constituent des raidisseurs noyés dans les peaux du boitier composite et non collés à ces peaux. [0014] Selon des formes de réalisation avantageux: - les portions de nappes de renfort ont des localisations, des largeurs et 25 des longueurs spécifiques correspondant à des niveaux de renfort prédéterminés, afin de respecter les interfaces et les contraintes appliquées en fonction d'un environnement prédéfini; - le boitier présente un rebord qui encadre la face ouverte, les portions de nappes de renfort prenant appui sur ce rebord en au moins une de leurs 30 extrémités; 3060440 4 - le boitier présente au moins une fenêtre d'ouverture dans au moins une paroi, chaque fenêtre étant découpée dans une zone entourée par des portions de nappes de renfort; - les peaux stratifiées et les portions de nappes de renfort 5 unidirectionnelles sont constituées en matériau composite à fibres choisies entre des fibres de carbone, de verre, fibres acryliques et aramides et des fibres en céramique, en fonction des propriétés de résistance mécanique recherchées. [0015] L'invention se rapporte également à un procédé de réalisation d'un tel boitier auto-raidi. Ce procédé comporte les étapes successives suivantes: 10 - drapage tridimensionnel d'une peau stratifiée en matériau composite pour former des parois d'une base monobloc parallélépipédique présentant un plan longitudinal et une face ouverte; - formation d'une nappe mère en matériau composite à fibres unidirectionnelles par imprégnation de ces fibres dans une résine époxy; 15 - découpage de la nappe mère en portions de nappes de renfort à fibres unidirectionnelles; - agencement des portions de nappes de renfort en un treillis; - drapage et estampage des portions de nappes de renfort dans des plans parallèles et perpendiculaires au plan longitudinal; 20 - drapage d'une peau stratifiée en matériau composite sur la base monobloc et les portions de nappes ; - réitération des étapes précédentes de drapage et d'estampage de portions nappes de renfort ainsi que de drapage d'une peau stratifiée, un nombre de fois compris entre 0 et 3; 25 - cuisson à l'autoclave de l'ensemble des drapages de couches alternées de peaux stratifiées et de portions de nappes de renfort, et - démoulage de cet ensemble après cuisson. [0016] Selon des modes de mise en oeuvre, le parallélogramme formé par les peaux stratifiées se termine par un rebord encadrant la face ouverte, les 30 portions de nappes de renfort prenant appui sur ce rebord en au moins l'une de leurs extrémités après estampage. De plus, les portions de nappes de renfort à fibres unidirectionnelles ont de préférence des longueurs, des largeurs et une 3060440 5 localisation déterminées en fonction des interfaces et des contraintes de leur environnement final. En outre, le démoulage peut être avantageusement suivie d'une étape de détourage de fenêtres autour de portions de nappes de renfort et/ou d'une étape de vérification de la finition du boitier par des moyens de 5 contrôle non destructifs. PRÉSENTATION DES FIGURES [0017] D'autres données, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description non limitée qui suit, en référence aux figures annexées qui représentent, respectivement : 10 - la figure 1, une vue en perspective d'un exemple de boitier auto-raidi selon l'invention servant de coffrage électrique ; et - la figure 2, des vues en perspective d'un boîtier auto-raidi selon les principales étapes successives 2a à 2j de mise en oeuvre d'un exemple de procédé de réalisation. 15 [0018] Sur les figures, des éléments identiques sont repérés par un même signe de référence qui renvoie au(x) passage(s) qui le décrive(nt). Les qualificatifs « supérieur » et « inférieur » se réfèrent à la position relative des faces ou parois principales de la structure de base à laquelle ces éléments se rapportent, ici le boitier auto-raidi. Les adjectifs « longitudinal » et « latéral » se rapportent 20 respectivement à une direction principale selon une dimension principale du boitier auto-raidi et à des faces ou parois perpendiculaires aux faces ou parois principales du boitier. Les qualificatifs « interne » et externe » se rapportent à l'espace intérieur ou extérieur au volume délimité par le boitier auto-raidi. DESCRIPTION DÉTAILLÉE 25 [0019] En référence à la vue en perspective de la figure 1, le boitier auto- raidi 1 est conformé selon un parallélépipède rectangle s'étendant longitudinalement selon l'axe X'X. Ce boitier auto-raidi 1 est constitué de deux peaux composites stratifiées monobloc 10 et 30 en fibres imprégnées de résine époxy, prenant en sandwich des portions de nappes de renfort 21 à 27 (cf. figures 30 2b, 2c, 2e et 2f). La première peau de base 10 (cf. figure 2) est formée d'un 3060440 6 stratifié de plusieurs plis superposés, avec un premier pli interne constitué de fibres de verre et les autres plis de fibres de carbone. Et l'autre peau composite stratifiée 30 (cf. figure 2) est formée d'une superposition de plis de fibres de carbone avec un dernier pli externe de fibres de verre. 5 [0020] Le boitier auto-raidi 1 présente un rebord sensiblement rectangulaire 11 formé sur le pourtour d'une face ouverte F6, c'est-à-dire sans matière. La face F6 est une face principale du boitier 1, située en position inférieure. Les autres faces sont constituées de parois, à savoir les parois latérales F2 à F5 ainsi que la paroi principale F1 présentée en position supérieure 10 parallèlement à la face ouverte F6. Ces parois F1 à F5 intègrent les portions de nappes de renfort 21 à 27 constituées de fibres de carbone unidirectionnelles imprégnées de résine époxy. Les portions de nappes 21 à 27, agencées en treillis quadrillé, s'étendent parallèlement et perpendiculairement au plan longitudinal PL perpendiculaire à la paroi principale F1. 15 [0021]Ainsi, les portions de nappes 21 et 22 s'étendent sur les parois F2, F1 et F4, parallèlement au plan PL ainsi qu'aux faces F3 et F5, en prenant appui sur le rebord 11 en chaque extrémité 2i. La portion de nappe 23, qui s'étend parallèlement et entre les portions 21 et 22, ne prend appui sur le rebord 11 qu'en l'une de ses extrémités et ne s'étend que partiellement sur la paroi principale F1, 20 jusqu'à recouvrir la portion de nappes 25. Par ailleurs, les portions de nappes 24 à 27 s'étendent sur les parois F3, F1 et F5 perpendiculairement au plan PL et aux parois F2 et F4, en prenant appui sur le rebord 11 en chacune de leurs extrémités 2i. [0022] La largeur, la longueur et la position des portions de nappes 21 à 25 27 sont adaptées au niveau de renfort localement souhaité. Ainsi, la portion de nappes 23 présente une largeur relativement plus importante que les autres portions pour réaliser un meilleur renfort, avec les portions de nappes voisines 21 et 22, dans l'environnement auquel cette portion de nappes 23 est destinée, en particulier au regard des contraintes mécaniques de cet environnement en 30 interface avec la paroi F1. [0023] Deux fenêtres 12a et 12b sont découpées sur la paroi F1 du boitier auto-raidi 1, respectivement entourée des portions de nappes 21, 22, 25 et 3060440 7 26 et entourée les portions de nappes 21, 22, 26 et 27. Ces fenêtres 12a et 12b sont destinées à laisser passer des borniers de câbles d'alimentation électrique dans l'application visée. [0024] En référence aux vues en perspective des étapes 20 et 2a à 2j de 5 la figure 2, les principales étapes d'un exemple de procédé de réalisation du boitier auto-raidi 1 sont successivement illustrées. [0025] Après une phase préliminaire de préparation (étape 20) de l'outillage nécessaire à la mise en conformation par nappage et estampage, cuisson, détourage et contrôle des matières mises en oeuvre, et de 10 rassemblement du kit des matières premières, essentiellement les fibres de verre et de carbone ainsi que la résine époxy, un drapage manuel de la peau composite de base 10 est d'abord réalisée (figure 2a) pour conformer la peau de base 10 en parallélépipède rectangle terminé par le rebord 11. Cette peau de base 10 est stratifiée sur sept plis superposés selon différentes directions (- 45, 0, 45 et 90°) 15 constitués de fibres de verre pour le premier pli et de fibres de carbone pour les autres plis, les fibres étant imprégnées de résine époxy. [0026] Ce drapage de base est suivi d'un premier drapage de renfort dans lequel des portions de nappes de renfort 20, constituées de fibres de carbone unidirectionnelles imprégnées de résine époxy, sont positionnées en 20 treillis quadrillé 2 selon deux dimensions (figure 2b), puis estampées (figure 2c) sur la peau de base 10. Les portions de nappes 20 de renfort sont préalablement préparées par découpage d'une nappe mère constituée de cinq plis de fibres de carbone unidirectionnelles. [0027] Le drapage de nappes 20 est complété par un drapage manuel 25 d'une peau intermédiaire 30 (figure 2d) conformée de manière similaire à la peau composite de base 10 selon le parallélépipède rectangle terminé par le rebord 11. Cette peau intermédiaire 30 est stratifiée sur trois plis superposés selon différentes directions (90, - 45, 0°) et constitués de fibres de carbone imprégnées de résine époxy. 30 [0028] Dans cet exemple, un deuxième drapage de renfort est mis en oeuvre conformément aux étapes 2e à 2g: un drapage de portions de nappes de renfort 20', issues de la même nappe mère et agencées selon un treillis 2' (figure 3060440 8 2e) identique au treillis 2, est estampé (figure 2f) sur la peau intermédiaire 30 de la même façon que lors du premier drapage de renfort (étapes 2b et 2c). Puis le drapage manuel d'une peau de recouvrement 40 (figure 2g) vient également compléter ce deuxième drapage de renfort. La peau de recouvrement 40 est un 5 stratifié sur deux plis superposés selon une même direction et constitués d'un pli de fibres de carbone recouvert d'un pli de fibres de verre. [0029] L'ensemble Di des drapages de base et de renfort est ensuite passé à l'autoclave « A » (figure 2h) pour polymériser la résine époxy à l'aide d'un agent de réticulation par un traitement thermique approprié. Une fois terminée 10 cette phase de cuisson, le boitier auto-raidi 1 démoulé est détouré pour former les deux fenêtres d'accès 12a et 12b (étape 2i). Enfin, la finition du boitier auto-raidi 1 est contrôlée par un appareil de rayonnement rétrodiffusé non destructif 5 (étape 2j). Le boitier 1 peut alors être équipé du matériel électrique à protéger et être fixé par rivetage de son rebord 11 à l'emplacement prévu. 15 [0030] L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés. Ainsi, le procédé selon l'invention peut être totalement ou partiellement automatisé. Par ailleurs, le nombre de plis des peaux stratifiées et des portions de nappes de renfort peut être adapté en fonction des contraintes de résistance mécanique du boitier auto-raidi. De plus, la combinaison des types de 20 fibres dans la composition des peaux et des portions de nappes peut également varier en fonction de ces contraintes: fibres de carbone, de verre, fibres acryliques et aramides, éventuellement renforcées par des hybridations type verre-kevlar® ou carbone-kevlar®, et fibres en céramique. Par ailleurs, des portions de nappes de renfort peuvent également être prévues le long des parois latérales F2 à F5 25 dans des plans s'étendant selon la paroi principale F1 et perpendiculairement au plan longitudinale PL. En outre, le treillis peut former des losanges ou des triangles à la place de quadrillages. REVENDICATIONS1. Boitier auto-raidi (1) comportant une peau de base tridimensionnelle (10) en matériau composite stratifié, conformée selon des parois (F1 à F5) formant sensiblement un parallélépipède rectangle ouvert sur une face (F6) et s'étendant selon un axe longitudinal (X'X), caractérisé en ce que, sur cette peau de base (10), est drapé au moins un ensemble de résistance mécanique comprenant une couche de renfort constituée de portions de nappes (20, 20'; 21 à 27) agencées en treillis (2, 2') et recouverte d'une couche de peau stratifiée (30; 40) en matériau composite s'étendant sur le parallélépipède, les nappes de renfort (20, 20'; 21 à 27) étant en matériau composite à fibres unidirectionnelles et s'étendant sur les parois (F1 à F5) parallèlement ou perpendiculairement à un plan longitudinal (PL) contenant l'axe longitudinal (X'X) sans napper la face ouverte (F6). 2. Boitier auto-raidi (1) selon la revendication 1, dans lequel les portions de nappes de renfort (20, 20'; 21 à 27) ont des localisations, des largeurs et des longueurs spécifiques correspondant à des niveaux de renfort prédéterminés. 3. Boitier auto-raidi (1) selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il présente un rebord (11) qui encadre la face ouverte (F6), les portions de nappes de renfort (20, 20'; 21 à 27) prenant appui sur ce rebord (11) en au moins une de leurs extrémités (2i). 4. Boitier auto-raidi (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il présente au moins une fenêtre d'ouverture (12a, 12b) dans au moins une paroi (F6), chaque fenêtre (12a, 12b) étant découpée dans une zone entourée par des portions de nappes de renfort (20, 20'; 21 à 27). 5. Boitier auto-raidi (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les peaux stratifiées (10, 30, 40) et les portions de nappes de renfort unidirectionnelles (20, 20'; 21 à 27) sont constituées en matériau composite à fibres choisies entre des fibres de carbone, de verre, fibres acryliques et aramides et des fibres en céramique. 3060440 10 6. Procédé de réalisation d'un boitier auto-raidi (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes successives suivantes: - drapage tridimensionnel (2a) d'une peau stratifiée (10) en matériau 5 composite pour former des parois (F1 à F5) d'une base monobloc parallélépipédique (10) présentant un plan longitudinal (PL) et une face ouverte (F6); - formation d'une nappe mère en matériau composite à fibres unidirectionnelles par imprégnation de ces fibres dans une résine époxy; 10 - découpage de la nappe mère en portions de nappes de renfort à fibres unidirectionnelles (20, 20'; 21 à 27); - drapage (2b) des portions de nappes de renfort (20, 20'; 21 à 27) en un treillis (2) et estampage (2c) de ces portions (20, 20'; 21 à 27) dans des plans parallèles et perpendiculaires au plan longitudinal (PL); 15 - drapage (2d) d'une peau stratifiée en matériau composite (30) sur la base monobloc (10) et les portions de nappes (20, 20'; 21 à 27); - réitération (2e à 2g) des étapes précédentes (2b à 2d) de drapage et d'estampage de portions nappes de renfort (20, 20'; 21 à 27) ainsi que de drapage d'une peau stratifiée (40), un nombre de fois compris entre 0 et 3; 20 - cuisson (2h) à l'autoclave (A) de l'ensemble des drapages (Di) de couches alternées de peaux stratifiées et de portions de nappes de renfort (20, 20'; 21 à 27), et - démoulage de cet ensemble (Di) après cuisson. 7. Procédé de réalisation selon la revendication précédente, dans 25 lequel le parallélogramme formé par les peaux stratifiées (10, 30, 40) se termine par un rebord (11) encadrant la face ouverte (F6), les portions de nappes de renfort (20, 20'; 21 à 27) prenant appui sur ce rebord (11) en au moins l'une de leurs extrémités (2i) après estampage. 8. Procédé de réalisation selon l'une quelconque des 30 revendications 6 ou 7, dans lequel les portions de nappes de renfort à fibres unidirectionnelles (20, 20'; 21 à 27) ont des longueurs, des largeurs et une 3060440 11 localisation déterminées en fonction des interfaces et des contraintes de leur environnement final. 9. Procédé de réalisation selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, dans lequel le démoulage (2i) est suivie d'une étape de 5 détourage (2i) de fenêtres (12, 12b) autour de portions de nappes de renfort (20, 20'; 21 à 27). 10. Procédé de réalisation selon l'une quelconque des revendications 8 ou 9, dans lequel une étape finale (2j) de vérification de la finition du boitier (1) est effectuée par des moyens de contrôle non destructifs (5).