Brevet FR3070023A1 — publié le 20190215

Pièce tubulaire à volutes en composite à fibres unidirectionnelles La présente invention se rapporte à une structure fibreuse circulaire à lobes, ainsi qu'a une pièce tubulaire à lobes incorporant cette structure fibreuse. Une telle pièce peut être utilisée notamment dans l'aéronautique : un exemple d'une telle pièce est un mixeur de flux destiné à équiper le bord de fuite d'une tuyère de turboréacteur à double flux, séparant les flux d'air chaud et froid, afin de favoriser le mélange de ces flux afin d'augmenter la poussée et de réduire les émissions sonores. Un tel mixeur de flux présente sensiblement une symétrie axiale autour de l'axe principal du turboréacteur, et comporte typiquement en amont (par rapport au sens d'écoulement de l'air) une virole circulaire, et en aval des lobes qui s'accroissent jusqu'au bord de fuite. Dans la technique antérieure, un tel mixeur de flux peut être obtenu à partir d'une pluralité de nappes de fibres tissées qui se chevauchent au moins en partie, ce qui nécessite des découpages multiples (et donc de nombreuses chutes) et une mise en oeuvre complexe à la main. De surcroît, le chevauchement des différentes nappes engendre un surpoids, ainsi que des imperfections aérodynamiques, ce qui est préjudiciable en 20 termes de consommation de carburant et d'acoustique. De manière alternative, un tel mixeur de flux peut être réalisé par tissage contour, c'est-à-dire grâce à un tissu de fibres que l'on enroule autour d'un mandrin de forme correspondant à celle du mixeur, avant de l'enrouler sur un outil reproduisant la forme du mixeur. 25 Un tel procédé permet notamment d'obtenir, sur la pièce finale, des fibres présentant une orientation bien déterminée par rapport à l'axe de la pièce. Toutefois, lorsqu'on veut mettre en oeuvre un tel procédé de tissage contour notamment avec un tissu de fibres en céramique, il faut utiliser des fibres en céramique de section réduite, dites « à bas titre », dont le coût est très élevé, et les 30 choix d'orientation des fibres sont limités à ceux compatibles avec les métiers à tisser. On rencontre ce problème avec d'autres fibres, telles que des fibres en polymères, ou des fibres métalliques. La présente invention vise à fournir un mixeur à fibres notamment en céramique nécessitant peu d'intervention manuelle lors de sa fabrication, et moins 35 onéreux. 2 La présente invention fournit à cet effet une structure fibreuse circulaire à lobes, remarquable en ce qu'elle est formée d'un seul tenant d'une structure fibreuse non-tissée sur au moins deux lobes, la structure fibreuse comprenant au moins un groupe de fibres présentant une même orientation par rapport à l'axe de 5 ladite structure. Dans le cadre de la présente invention, le terme « circulaire » ou « tubulaire » doit s'entendre comme une structure s'étendant sur une partie ou sur la totalité d'une circonférence. Grâce aux caractéristiques de la structure fibreuse selon l'invention, on 10 peut s'affranchir de la mise en oeuvre d'une pluralité de nappes de fibres comme c'était le cas dans l'état de la technique, et ainsi gagner en rapidité de mise en oeuvre, en coût, et en performances en vol. De plus, l'utilisation d'une structure fibreuse non-tissée comprenant au moins un groupe de fibres présentant une même orientation par rapport à l'axe de la 15 structure fibreuse (on désignera ces fibres par « unidirectionnelles »), permet de maîtriser complètement les chemins d'effort à l'intérieur de la structure, et ainsi d'optimiser la conception de la pièce finale, notamment en termes de poids, tout en offrant une alternative moins onéreuse par rapport à l'utilisation de fibres tissées. On peut ainsi par exemple utiliser des fibres oxyde 20 000 deniers, qui sont difficilement tissables. Suivant d'autres caractéristiques optionnelles de la structure fibreuse selon l'invention, prises seules ou en combinaison : - cette structure comprend de deux lobes jusqu'à une pluralité de lobes, - cette structure comprend des lobes de formes différentes, - cette structure comprend plusieurs structures non fibreuses non-tissées superposées, partiellement ou en totalité, - cette structure comprend plusieurs structures fibreuses non-tissées juxtaposées, - cette structure comprend des fibres présentant une multitude d'orientations, selon les besoins mécaniques et structuraux, - lesdites fibres sont choisies dans le groupe comprenant : o des fibres en céramique telles que le carbure de silicium, les oxydes d'aluminium, les aluminosilicates, o des fibres en polymères tels que polyester, polyamide, polyéthylène, o des fibres minérales telles que fibres de verre ou de basalte, 3 o des fibres organiques telles que fibres de carbone ou aramide, Kevlar®, et o des fibres métalliques, étant entendu que toute combinaison de ces fibre est possible. 5 - cette structure est obtenue par drapage/dépôt des fibres sur un mandrin dont la forme correspond au moins en partie à celle de la pièce finale à réaliser, et sur lequel par exemple un film a été préalablement enroulé de sorte à entourer ledit mandrin. La présente invention se rapporte également à une pièce en composite 10 obtenue à partir d'une structure conforme à ce qui précède. Suivant d'autres caractéristiques optionnelles de la pièce selon l'invention, prises seules ou en combinaison : - le ou les matériaux formant la matrice desdites fibres est une matrice organique, ou bien une matrice céramique, 15 - cette pièce comprend des lobes présentant des formes différentes, - cette pièce comprend des lobes dont les hauteurs et forme sont variables suivant la position axiale, - les flancs des lobes sont selon des plans ou selon des formes quelconques, 20 - le périmètre de la pièce dans la zone des lobes est plus grand que la plus petite circonférence de la pièce dans la zone sans lobes, - la pièce présente une partie ouverte, dans laquelle manque un secteur angulaire. La présente invention se rapporte également à un mixeur de flux pour 25 turboréacteur d'aéronef, remarquable en ce qu'il est formé d'au moins une pièce conforme à ce qui précède. La présente invention se rapporte également à un procédé de fabrication d'une structure fibreuse tubulaire à lobes, dans lequel on drape/dépose des fibres sur un mandrin présentant une forme correspondant à celle de cette structure fibreuse, 30 ce drapage/dépôt étant effectué de sorte qu'au moins un groupe de fibres présente une même orientation par rapport à l'axe de ladite structure fibreuse, puis une fois les fibres ayant été drapées sur un secteur angulaire inférieur à la périphérie totale du mandrin, l'une des extrémités de la structure fibreuse est séparée/décollée du mandrin, afin de permettre la poursuite du drapage sur ce même mandrin. 4 Cette technique permet à l'automate de drapage de poursuivre la dépose des fibres sur le mandrin de façon continue et permet ainsi d'obtenir une préforme dont la longueur totale est plus importante que la périphérie du mandrin. Le mandrin présente une forme correspondant à celle de cette structure 5 fibreuse, c'est-à-dire que le mandrin présente une forme correspondant, au moins en partie sur une portion donnée, à celle de la pièce finale à réaliser. En d'autres termes la forme du mandrin est telle que la forme de la préforme drapée dessus s'adapte aussi à la forme de la pièce finale souhaitée. Par exemple, le mandrin peut présenter la forme exacte de la pièce finale 10 à réaliser. Alternativement, dans une configuration préférée, le mandrin présente une forme réduite qui est agencée de sorte à ce qu'elle corresponde, ou s'adapte, sensiblement à celle d'une portion de la pièce finale souhaitée prise sur un secteur angulaire prédéterminé. Ainsi, si le mandrin est réduit par exemple d'un facteur 4 par rapport à la dimension de la pièce finale à fabriquer, il suffit de poursuivre la dépose 15 des fibres sur le mandrin de façon continue sur quatre tours de mandrin pour obtenir la structure fibreuse adaptée, ceci bien entendu en fonction de la répétition de forme des lobes de la pièce tubulaire à fabriquer, dans la mesure où la formes desdits lobes créée par un tour de mandrin est répétée. Ceci est particulièrement avantageux, moins couteux et moins 20 encombrant, puisqu'il est possible d'obtenir une préforme dont la longueur totale est plus importante que la périphérie du mandrin. Cela permet également d'utiliser des mandrins identiques pour fabriquer des structures fibreuses de dimensions différentes, en longueur, en largeur, en orientations et dispositions de fibres contenues. 25 Dans une variante spécifique préférée, le mandrin a une géométrie telle que sa circonférence correspond à la forme d'une portion de structure fibreuse comprenant une zone sensiblement de révolution et une zone formant au moins deux lobes. En d'autres termes par exemple, pour produire d'un seul tenant une 30 structure fibreuse couvrant tout ou partie d'une pièce circulaire ouverte ou fermée comportant N lobes autour d'un axe longitudinal, ces lobes étant uniformément répartis angulairement autour de l'axe et de forme identique au moins un lobe sur deux (au moins les lobes impairs de forme similaire entre eux et les lobes pairs de forme similaire entre eux), on drape selon l'invention, une préforme continument sur 35 N/2( N divisé par 2) tours d'un mandrin circulaire, ce mandrin étant caractérisé en ce qu'il comporte à une de ses extrémités deux bossages, et en ce que l'ensemble de la 5 surface constituant sa circonférence totale ( un tour) corresponde par transposition filaire à la forme de la pièce finale correspondant à un secteur angulaire couvrant deux lobes de celle-ci. Dans une variante, préalablement à l'étape de dépose/drapage, un film 5 de séparation est appliqué/enroulé, de préférence à forme, sur le mandrin, ce film se trouvant alors entre ledit mandrin et la structure fibreuse lors de la fabrication. Ce film est séparé du mandrin en même temps que la structure fibreuse sur lequel elle est alors supportée, facilitant le maintien de la cohésion entre fibres parallèles. 10 De préférence, la longueur de film enroulé sur le mandrin est au moins égale à la dimension, ou longueur totale, de structure fibreuse à fabriquer. Ainsi, par exemple, préalablement à l'étape de dépose/drapage des fibres sur le mandrin, le film est enroulé sur au moins autant de tours autour du mandrin qu'il est souhaité que la structure fibreuse fasse en un seul tenant. 15 Par exemple, si on veut une préforme qui fasse d'un seul tenant une longueur totale équivalente à 5 tours de mandrins, il est préférable que le film ait été enroulé au préalable en continu sur au moins 5 tours, ainsi, au fur et à mesure que le film est retiré avec la préforme, il y a toujours un film en dessous pour recevoir la suite de la structure fibreuse formant préforme. 20 La séparation du film et des fibres peut aussi être effectuée ultérieurement, par exemple lors de l'enroulement de la structure fibreuse autour de la forme tubulaire à volutes. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lumière de la description qui va suivre, et à l'examen des figures ci-25 annexées, dans lequelles : - la figure 1 représente une vue en perspective d'un mixeur de flux pour turboréacteur selon l'invention, - la figure 2 représente une vue en perspective d'une partie de la structure fibreuse couvrant deux lobes du mixeur de la figure 1, et 30 - la figure 3 illustre un procédé de fabrication de la structure fibreuse de la figure 2. Sur l'ensemble de ces figures, des références identiques ou analogues désignent des organes ou ensembles d'organes identiques ou analogues. On a représenté, sur la figure 1, un mixeur pour turboréacteur d'aéronef, 35 centré autour d'un axe longitudinal A. 6 Un tel mixeur comprend typiquement une partie amont 1 (par rapport au sens de l'écoulement de l'air en fonctionnement, indiqué par la flèche F) de section transversale sensiblement circulaire, et une partie aval 3 présentant des creux 5 et des bosses 7, couramment désignés par le terme « lobes » 9. 5 Un tel mixeur est destiné à être disposé sur le bord de fuite de la tuyère séparant le flux d'air froid du flux d'air chaud d'un turboréacteur d'aéronef à double flux, afin de réaliser un meilleur mélange de ces deux flux, et ainsi d'améliorer les performances acoustiques et de consommation du moteur. Selon l'invention, ce mixeur est réalisé avec une structure fibreuse 11 10 plus particulièrement visible sur la figure 2, formée d'une ou plusieurs structures fibreuses non-tissées à fibres notamment en céramique, chaque structure fibreuse non-tissée comprenant au moins un groupe de fibres présentant une même orientation par rapport à l'axe A (les fibres de chaque tel groupe étant désignées par « unidirectionnelles »). 15 Par « unidirectionnelles », on entend des couches d'ensemble de fibres ou filaments disposés en mèches ou nappes et sensiblement parallèles les uns aux autres. Sur la figure 2, on peut voir un premier groupe de fibres 13 orientées sensiblement selon la direction de l'axe A, et un deuxième groupe de fibres 15 20 orientées sensiblement selon une direction transversale à cet axe. De préférence, cette structure fibreuse 11 s'étend sur la totalité des lobes du mixeur, en en faisant éventuellement plusieurs tours : de la sorte, on réalise la structure fibreuse du mixeur d'un seul tenant, ce qui évite de découper et superposer partiellement des nappes de structure fibreuse comme c'était le cas dans 25 la technique antérieure. La structure fibreuse peut comprendre entre deux lobes et jusqu'à une pluralité de lobes ; ces lobes peuvent présenter des formes différentes. Cette structure fibreuse peut comprendre plusieurs structures fibreuses non-tissées partiellement ou totalement superposées ou juxtaposées les unes par 30 rapport aux autres. Cette structure fibreuse peut comprendre des fibres présentant une multitude d'orientations, selon les besoins mécaniques et structuraux. Le ou les matériaux formant lesdites fibres sont choisis notamment dans le groupe comprenant le verre, le basalte, le carbone, le carbure de silicium, les 35 oxydes d'aluminium, les aluminosilicates. 7 La pièce finale obtenue à partir de cette structure fibreuse comprend une matrice organique, ou bien une matrice céramique. L'imprégnation de la fibre par la matrice peut être réalisée au niveau d'un ruban unidirectionnel de fibres avant la dépose dans le cas des procédés dit « Pré- 5 imprégnés» et suivi, après enroulement final sur la forme tubulaire à volutes, d'un durcissement par polymérisation, ou dans les cas des matrices céramiques par frittage ou densification. L'imprégnation par cette matrice peut aussi être complétée ou totalement réalisée après le drapage sur la forme tubulaire à volutes par procédé RTM 10 (Resin Transfer Molding), infusion, et plus généralement par tout procédé permettant de noyer les fibres de la préforme dans une résine apte à durcir par polymérisation, ou dans les cas des matrices céramiques par frittage ou densification. Le mixeur obtenu avec la structure fibreuse selon l'invention peut présenter des lobes dont la hauteur est continûment croissante vers l'extrémité aval 15 de la pièce. Les flancs des lobes peuvent être selon des plans ou selon des formes quelconques. Le mixeur peut présenter une partie ouverte, dans laquelle manque un secteur angulaire. 20 On a représenté sur la figure 3, de manière schématique, un procédé de fabrication de la structure fibreuse 11 de la figure 1. Comme cela est visible sur cette figure, un film 17 a été enroulé sur plusieurs tours autour d'un mandrin d'appel 19. Ce mandrin est une sorte de bobine de forme particulière correspondant 25 à la forme de la structure fibreuse 11 que l'on souhaite réaliser. Au moyen d'une tête de dépôt de fibres 21 montée par exemple à l'extrémité du bras 23 d'un robot, on drape/dépose sur le film 17 les fibres présentant les différentes orientations souhaitées par rapport à l'axe A de la pièce finale tubulaire : on obtient de la sorte une structure fibreuse non-tissée composée de fibres 30 unidirectionnelles. Une fois que les fibres ont été drapées sur un secteur angulaire inférieur à la périphérie totale du mandrin, l'une des extrémités du film 17 est décollée du mandrin libérant la surface du mandrin de la partie de préforme déjà drapée, afin de permettre la poursuite du drapage sur ce même mandrin et à la suite de la préforme 35 fibreuse déjà drapée. 8 En fonction de la répétition de forme des lobes de la pièce tubulaire, chaque structure fibreuse peut couvrir de 2 lobes ou jusqu'à un tour complet ou plus d'un tour de la pièce tubulaire. Notamment, si les lobes sont identiques ou si un sur deux sont 5 identiques, on pourra constituer un tour complet au moins de la pièce à lobes avec une même structure fibreuse. Avant ou après enroulement sur l'outil de moulage dont la forme correspond à celle de la pièce finale, la structure fibreuse 11 peut être imprégnée du matériau destiné à former la matrice du composite avant d'être consolidée de sorte à 10 obtenir la pièce finale, à savoir le mixeur de flux. S'ensuit la consolidation de la matrice pour rigidifier la pièce. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté, fourni à titre d'exemple illustratif et non limitatif. Par exemple, un tel mixeur peut être encore utilisé pour mélanger deux 15 flux concentriques dans différents domaines (hydrauliques ou gazeux, sans qu'ils soient nécessairement chauds, mais avec les mêmes soucis de mélange, de coût,...). La structure fibreuse peut être faite de fibres céramiques, organiques (polyester, polyamide, polyéthylene, ... ) métalliques, de verre, de basalte, de carbone, de carbure de silicium, d'oxydes d'aluminium, d'aluminosilicates. REVENDICATIONS1. Structure fibreuse circulaire (11) à lobes (9), caractérisée en ce qu'elle est formée d'un seul tenant d'une structure fibreuse non-tissée sur au moins deux lobes (9), la structure fibreuse non-tissée comprenant au moins un groupe de fibres (13, 15) présentant une même orientation par rapport à l'axe A de ladite structure (11). 2. Structure fibreuse (11) selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend de deux lobes (9) jusqu'à une pluralité de lobes (9). 3. Structure fibreuse (11) selon l'une des revendications 1 ou 2, 10 caractérisée en ce qu'elle comprend des lobes (9) de formes différentes. 4. Structure fibreuse (11) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend plusieurs structures non-tissées partiellement ou totalement superposées. 5. Structure fibreuse (11) selon l'une quelconque des revendications 15 précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend plusieurs structures fibreuses non- tissées juxtaposées. 6. Structure fibreuse (11) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend des fibres (13, 15) présentant une multitude d'orientations, selon les besoins mécaniques et structuraux. 20 7. Structure fibreuse (11) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que lesdites fibres sont choisies dans le groupe comprenant : - des fibres en céramique telles que le carbure de silicium, les oxydes d'aluminium, les aluminosilicates, 25 - des fibres en polymères tels que polyester, polyamide, polyéthylène, - des fibres minérales telles que fibres de verre ou de basalte, - des fibres organiques telles que fibres de carbone ou aramide, et - des fibres métalliques. 8. Structure fibreuse (11) selon l'une quelconque des revendications 30 précédentes, caractérisée en ce qu'elle est obtenue par drapage/dépôt des fibres (13, 15) sur un mandrin (19) dont la forme correspond à celle de la pièce finale à réaliser. 9. Structure fibreuse (11) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est obtenue par drapage/dépôt des fibres (13, 15) sur un film (17) enroulé sur un mandrin (19) dont la forme correspond à celle de la 35 pièce finale à réaliser. 10. Pièce en composite obtenue à partir d'au moins une structure fibreuse (11) conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, prise dans une matrice. 11. Pièce en composite selon la revendication 10, caractérisée en ce que 5 le ou les matériaux formant la matrice desdites fibres (13, 15) est une matrice organique, ou bien une matrice céramique. 12. Pièce en composite selon l'une des revendications 10 ou 11, caractérisée en ce qu'elle comprend des lobes (9) présentant des formes différentes. 13. Pièce en composite selon l'une quelconque des revendications 10 à 10 12, caractérisée en ce qu'elle comprend des lobes (9) dont les hauteurs et forme sont variables suivant la position axiale. 14. Pièce en composite selon l'une quelconque des revendications 10 à 13, caractérisée en ce que les flancs des lobes (9) sont selon des plans ou selon des formes quelconques. 15. Pièce en composite selon l'une quelconque des revendications 10 à 14, caractérisée en ce qu'elle présente une partie ouverte, dans laquelle manque un secteur angulaire. 16. Mixeur de flux pour turboréacteur d'aéronef, caractérisé en ce qu'il est formé d'au moins une pièce conforme à l'une quelconque des revendications 10 à 20 15. 17. Procédé de fabrication d'une structure fibreuse tubulaire (11) à lobes (9), dans lequel on drape/dépose des fibres (13, 15) sur un mandrin (19) présentant une forme correspondant à celle de cette structure fibreuse (11), ce drapage/dépôt étant effectué de sorte qu'au moins un groupe de fibres (13, 15) présentent une 25 même orientation par rapport à l'axe (A) de ladite structure fibreuse (11), puis, les fibres ayant été drapées sur un secteur angulaire inférieur à la périphérie totale du mandrin, l'une des extrémités de la structure fibreuse est séparée du mandrin afin de permettre la poursuite du drapage sur ce même mandrin. 18. Procédé de fabrication d'une structure fibreuse tubulaire (11) à lobes 30 (9) selon la revendication 17, caractérisée en ce que, la circonférence du mandrin correspond à la forme d'une portion de structure fibreuse comprenant un zone de révolution et une zone formant au moins deux lobes. 19. Procédé de fabrication d'une structure fibreuse tubulaire (11) à lobes (9) selon la revendication 17, caractérisée en ce que, préalablement à l'étape de 35 dépose/drapage des fibres sur le mandrin, un film de séparation (17) est enroulé sur le mandrin.