Brevet FR3077523A1 — publié le 20190809

Description Titre de l'invention : « Procédé de fabrication d'un corps d'aile laminaire hybride » [0001] L'invention concerne un procédé de fabrication d'un corps d'aile laminaire hybride, avec lequel une mise en forme adéquate et une aspiration de couche limite doivent permettre un écoulement laminaire autour du corps d'aile. Etat de la technique [0002] Sous la contrainte continuellement croissante des coûts d'exploitation, les avionneurs s'efforcent, par des mesures appropriées, à rendre le fonctionnement de leurs avions plus économique. Dans cette optique, on attache une importance essentielle à sensiblement réduire le poids total des avions de ligne, ainsi que les résistances de l'air en vol. [0003] L'utilisation conséquente de matériaux composites renforcés de fibres, même pour les structures critiques, à savoir supportant des charges, permet de s'attaquer à l'aspect de la réduction de poids et ainsi à l'économie de carburant. Pour réduire la résistance de l'air, il s'est par ailleurs avéré avantageux de conserver en vol, le plus longtemps possible, une couche limite laminaire à la surface extérieure des corps d'aile, notamment des corps d'aile engendrant une portance, parce que des fractions d'écoulement turbulent conduisent notamment à une augmentation sensible de la résistance de l'air et ainsi à une consommation de carburant accrue. [0004] Les écoulements d'air venant frapper un corps profilé aérodynamique ont en principe tendance à former un écoulement de couche limite laminaire. Toutefois, en raison d'une forme correspondante, par exemple en raison de rivets en saillie ou d'arêtes en saillie dans la surface de profil aérodynamique, la couche limite fondamentalement laminaire peut très rapidement se transformer en une couche limite turbulente et augmenter ainsi la résistance de l'air. Pour conserver un écoulement de couche limite laminaire, il importe en conséquence que la forme favorise la conservation d'un écoulement laminaire et empêche le mieux possible la transformation en un écoulement de couche limite turbulent. Il s'est en outre avéré que l'aspiration de la couche limite à l'aide d'un système d'aspiration prévu dans le corps d'aile et d'une surface aérodynamique microperforée, permettait d'obtenir un écoulement laminaire persistant le plus longtemps possible sur le corps profilé aérodynamique, ce qui abaisse davantage la résistance de l'air et permet en définitive une économie de carburant. Un écoulement laminaire persistant le plus longtemps possible signifie en l'occurrence que le chemin d'écoulement le long de la surface profilée soit le plus long possible et, dans le meilleur des cas, s'étende du bord avant jusqu'au bord arrière du corps profilé aéro- 2 dynamique. [0005] Des corps profilés aérodynamiques ou des corps d'aile qui, en raison de leur forme ainsi qu'à l'aide d'une aspiration de couche limite, sont censés conserver un écoulement laminaire persistant le plus longtemps possible, sont également appelés corps d'aile ou corps profilés laminaires hybrides, et sont connus, actuellement au moins au stade expérimental, sous la dénomination de technologie HLFC. Un tel corps d'aile présente en l'occurrence une structure dans laquelle une peau extérieure perforée, par exemple en un matériau résistant à l'érosion, comme un métal ou de l'aluminium, est appliquée sur une structure porteuse qui, en raison de sa forme, réalise en commun avec la peau extérieure perforée, qui y est rapportée, des chambres d'aspiration individuelles sous la peau extérieure perforée, de façon à pouvoir aspirer l'écoulement d'air sur la peau extérieure, dans la zone de la couche limite. Les chambres d'aspiration formées individuellement présentent chacune une ou plusieurs ouvertures d'étranglement, par l'intermédiaire desquelles la chambre d'aspiration respective est alors en communication avec un système d'aspiration pour produire une dépression. La réalisation des chambres d'aspiration peut par exemple résulter du fait que la structure porteuse possède une structure de forme ondulée sur son côté dirigé vers la peau extérieure perforée, de sorte que l'application de la peau extérieure perforée conduit, en raison de la structure ondulée, à la formation de chambres entre la structure porteuse et la peau extérieure perforée. [0006] Si une telle structure porteuse destinée à la technologie HLFC doit être fabriquée en un matériau composite renforcé de fibres en vue d'une réduction de poids supplémentaire, il en résulte le problème que les ouvertures d'étranglement prévues dans la structure porteuse doivent être réalisées par enlèvement de copeaux dans la structure composite renforcée de fibres supportant la charge, de la structure porteuse, ce qui par principe affecte de manière préjudiciable la structure de support et soumet la fabrication industrielle à des contraintes correspondantes. En effet, l'usinage par enlèvement de copeaux sectionne des fibres supportant la charge et fragilise ainsi la structure, ce qui doit alors être compensé par du matériau supplémentaire. Or cela fait en partie reperdre l'avantage de poids procuré par l'utilisation de matériaux composites renforcés de fibres. En outre, les matériaux composites renforcés de fibres sont le plus souvent d'une construction non homogène et en conséquence difficilement usinables par voie mécanique, ce qui se traduit par une précision dimensionnelle moindre sur un grand nombre de perçages. Les durées de vie d'outil sont également limitées, tout comme les vitesses d'avance, ce qui conduit à un temps d'usinage relativement long pour la réalisation des ouvertures d'étranglement. De plus, l'usinage par enlèvement de copeaux avec lubrification n'a pas encore été industrialisé pour des structures en matériaux composites renforcés de fibres de sorte que l'usinage libère des poussières 3 qui doivent être confinées. [0007] Par ailleurs, les ouvertures d'étranglement ne peuvent être réalisées qu'après achèvement de la réaction de durcissement, et doivent en conséquence être réalisées sur des structures géométriquement complexes, ce qui peut parfois conduire à des collisions de l'outil et des structures composites renforcées de fibres. [0008] On connait d'après le document DE 10 2013 109 995 Al un procédé pour fabriquer une pièce composite renforcée de fibres, d'après lequel, avant le durcissement du matériau de matrice, on introduit dans le matériau à base de fibres un genre de broche qui ne sectionne pas les fibres, mais les repousse simplement, pour produire ainsi une ouverture dans la pièce composite renforcée de fibres. La broche reste dans la pièce composite renforcée de fibres jusqu'à achèvement du durcissement du matériau de matrice, puis est éliminée par perçage, l'ouverture en résultant étant alors équipée d'un insert ou d'un boulon ou rivet, pour assembler la pièce composite renforcée de fibres à d'autres pièces. Toutefois, l'élimination par perçage de l'élément de réserve nécessite là encore un usinage par enlèvement de copeaux, entraînant les inconvénients cités plus haut lors d'une fabrication industrielle. [0009] Aussi, le but de la présente invention consiste-t-il à indiquer, pour la fabrication d'un corps d'aile laminaire hybride, un procédé amélioré qui permette de fabriquer de tels corps d'aile avec efficience même dans un contexte industriel. Exposé de l'invention [0010] Le but recherché est atteint grâce à un procédé pour fabriquer un corps d'aile laminaire hybride, avec lequel une mise en forme adéquate et une aspiration de couche limite doivent permettre un écoulement laminaire autour du corps d'aile, le corps d'aile laminaire hybride étant fabriqué par l'agencement d'une peau extérieure perforée, sur une structure porteuse située à l'intérieur, en formant une pluralité de chambres d'aspiration séparées, de manière telle que les chambres d'aspiration soient en liaison fonctionnelle, d'une part avec la peau extérieure perforée pour l'aspiration de la couche limite, et d'autre part avec des ouvertures d'étranglement prévues dans la structure porteuse située à l'intérieur, pour la liaison avec un système d'aspiration, caractérisé en ce que la structure porteuse située à l'intérieur est fabriquée en un matériau composite renforcé de fibres, avec les étapes suivantes : . fourniture et préparation de semi-produits à base de fibres plats et non drapés, du matériau composite renforcé de fibres, . introduction de corps de repoussage dans les semi-produits à base de fibres, aux endroits où doivent être prévues ultérieurement les ouvertures d'étranglement dans la structure porteuse située à l'intérieur, par repoussage non destructif des fibres des semi-produits à base de fibres respectifs, 4 - drapage des semi-produits à base de fibres sur une surface de mise en forme d'un outillage de mise en forme, avec les corps de repoussage déjà introduits dans les semi-produits à base de fibres, - durcissement d'un matériau de matrice du matériau composite renforcé de fibres, qui noie les semi-produits à base de fibres, tout en conservant en place dans les semi-produits à base de fibres les corps de repoussage ayant été introduits dans les semi-produits à base de fibres, et - retrait des corps de repoussage, après le durcissement du matériau de matrice, pour former les ouvertures d'étranglement dans la structure porteuse. [0011] Conformément à l'invention, il est proposé un procédé pour fabriquer un corps d'aile laminaire hybride, avec lequel une mise en forme adéquate et une aspiration de couche limite doivent permettre, tout au moins en partie, un écoulement laminaire autour du corps d'aile. Le corps d'aile laminaire hybride est à cet effet fabriqué en agençant une peau extérieure perforée, sur une structure porteuse située à l'intérieur, en formant une pluralité de chambres d'aspiration séparées, de manière telle que les chambres d'aspiration soient en liaison fonctionnelle, d'une part avec la peau extérieure perforée pour l'aspiration de la couche limite, et d'autre part avec des ouvertures d'étranglement prévues dans la structure porteuse située à l'intérieur, pour la liaison avec un système d'aspiration. [0012] Conformément à l'invention, le procédé de fabrication est à présent caractérisé en ce que la structure porteuse située à l'intérieur est fabriquée en un matériau composite renforcé de fibres, les ouvertures d'étranglement prévues dans la structure porteuse située à l'intérieur ne devant justement pas être réalisées par un procédé d'usinage par enlèvement de copeaux. Le matériau composite renforcé de fibres comprend en l'occurrence, en guise de matériaux constitutifs principaux, d'une part un matériau à base de fibres, et d'autre part un matériau de matrice qui noie le matériau à base de fibres, et forme après durcissement une unité intégrale avec le matériau à base de fibres. [0013] Conformément à l'invention, il est en outre prévu que pour la mise en oeuvre d'un procédé sans usinage par enlèvement de copeaux, on réalise les ouvertures d'étranglement en commençant par fournir et préparer des semi-produits à base de fibres, plats et non drapés, du matériau composite renforcé de fibres. Dans ces semi-produits à base de fibres plats et non drapés, sont alors enfoncés des corps de repoussage aux endroits où doivent être prévues ultérieurement les ouvertures d'étranglement dans la structure porteuse située à l'intérieur. Les corps de repoussage sont introduits de manière telle que les fibres des semi-produits à base de fibres respectifs sont repoussées de manière non destructive. [0014] Ensuite, les semi-produits à base de fibres dans lesquels les corps de repoussage sont déjà introduits, sont drapés sur une surface de mise en forme d'un outillage de mise en forme, de manière à réaliser la forme de pièce ultérieure de la structure porteuse. On durcit ensuite un matériau de matrice du matériau composite renforcé de fibres, qui noie les fibres des semi-produits à base de fibres, par exemple par mise en température et, le cas échant, mise en pression, les corps de repoussage étant conservés en place dans les semi-produits à base de fibres pendant le processus de durcissement, qui peut prendre un certain temps. [0015] Après le durcissement du matériau de matrice et la formation d'une unité intégrale entre le matériau de matrice et le matériau à base de fibres, on retire les corps de repoussage de la pièce ayant été fabriquée, en formant ainsi les ouvertures d'étranglement considérées dans la structure porteuse. [0016] Un tel procédé conforme à l'invention rend possible la fabrication d'une structure porteuse pour des corps d'aile avec une technologie HLFC, en un matériau composite renforcé de fibres, sans devoir pratiquer les ouvertures d'étranglement nécessaires à cet effet pour le système d'aspiration au moyen d'un procédé d'usinage par enlèvement de copeaux. [0017] Conformément à l'invention, il est apparu que les corps de repoussage pouvaient être introduits dans les semi-produits à base de fibres plats et non drapés, puis que ces semi-produits à base de fibres munis des corps de repoussage pouvaient être drapés sur la surface de mise en forme correspondante de l'outillage, sans que les corps de repoussage ayant été introduits endommagent les fibres ou rendent le semi-produit à base de fibres globalement inutilisable. Le processus de drapage est en effet une étape très critique du procédé de fabrication global, puisqu'à cette occasion il n'est pas rare que des fibres soient déplacées voire cisaillées et qu'il se produise des compressions ou étirements, qui ont ensuite des conséquences sur la structure de la pièce. Or, conformément à l'invention, les corps de repoussage peuvent demeurer dans les semi-produits à base de fibres pendant l'opération de drapage, sans influencer négativement le processus de drapage, de sorte qu'il en résulte l'avantage de ne pas devoir introduire ultérieurement les corps de repoussage dans les semi-produits à base de fibres déjà drapés, et donc dans la structure géométrique complexe. [0018] En outre, l'inventeur a constaté qu'une telle ouverture d'étranglement, fabriquée à l'aide d'un tel corps de repoussage comme cela a été décrit conformément à l'invention, convenait pour constituer une ouverture d'étranglement pour l'aspiration de la couche limite, même lorsque la paroi intérieure n'a pas été garnie d'un insert. En effet, il est possible, à l'aide d'un tel corps de repoussage, de fabriquer une ouverture d'étranglement de manière telle que celle-ci satisfasse aux valeurs de tolérance et aux dimensions prescrites, et que cette précision dimensionnelle puisse être respectée pour un grand nombre de ces ouvertures d'étranglement, ceci même lorsque les corps de re- 6 poussage sont introduits dans les semi-produits à base de fibres plats et non drapés, et que ces semi-produits à base de fibres ne sont drapés qu'ultérieurement. [0019] Un autre avantage est que grâce aux ouvertures d'étranglement réalisées à l'aide des corps de repoussage, il n'y a pas de mise à nu d'extrémités de fibres. Un scellage de bordure ultérieur des ouvertures d'étranglement pour minimiser l'absorption d'eau des pièces composites renforcées de fibres en environnement humide, est ainsi superflu. [0020] Le qualificatif de Aplat* concernant le semi-produit à base de fibres signifie ici qu'il s'agit d'un semi-produit à base de fibres présentant une étendue plate tout en ayant une épaisseur ou hauteur relativement faible. Le qualificatif de Anon drapée signifie par ailleurs que le semi-produit à base de fibres n'a pas encore été amené dans sa forme de pièce définitive et se trouve de préférence encore dans un état plat, non déformé. [0021] Avantageusement, à partir des semi-produits à base de fibres non drapés, qui ont été fournis et préparés, on commence par former un ou plusieurs paquets de couches de fibres, dans lesquels on introduit ensuite les corps de repoussage. [0022] D'après un mode de réalisation avantageux, on commence par former, à partir des semi-produits à base de fibres non drapés, qui ont été fournis et préparés, un ou plusieurs paquets de couches de fibres, qui sont réalisés en une ou plusieurs couches ou nappes des semi-produits à base de fibres fournis. On introduit alors les corps de repoussage dans ces paquets de couches de fibres ainsi produits en couches ou en nappes. Après l'étape de fabrication de la préforme et de l'introduction des corps de repoussage, on drape sur l'outillage de mise en forme les paquets de couches de fibres, ou respectivement le seul paquet de couches de fibres. [0023] Il a ici été constaté qu'un tel corps de repoussage pouvait également être introduit à travers plusieurs couches ou nappes de matériau à base de fibres dans l'état non drapé, sans pour autant détériorer les fibres, tout en étant en mesure de respecter les conditions limites imposées aux ouvertures d'étranglement. [0024] D'après un autre mode de réalisation avantageux, on fournit et prépare plusieurs corps de repoussage différents, qui présentent respectivement différents calibres de section transversale et/ou formes de section transversale, un calibre d'ouverture et/ou forme d'ouverture déterminée étant prescrit pour chaque ouverture d'étranglement, et pour un certain endroit où doit être formée une ouverture d'étranglement, on sélectionne un corps de repoussage en fonction du calibre d'ouverture et/ou de la forme d'ouverture prescrit pour l'ouverture d'étranglement respective à cet endroit. [0025] Il est ainsi possible de réaliser différentes ouvertures d'étranglement sur la totalité de l'étendue de la structure porteuse, avec des calibres de section transversale et/ou des formes de section transversale respectivement différentes, ce qui permet d'influencer l'aspiration, quant à son intensité, sur la surface aérodynamique du corps profilé. Ainsi, dans la zone du bord d'attaque, on prévoit en principe des ouvertures d'étranglement 7 plus grandes, pour y amplifier l'effet d'aspiration, tandis qu'en direction du bord de fuite du corps d'aile, les ouvertures d'étranglement deviennent plus petites, pour atténuer la force d'aspiration. [0026] A cet égard, on peut envisager d'utiliser, en guise de corps de repoussage, une broche à pointe conique, pour pouvoir introduire la broche dans le matériau à base de fibres de manière non destructive. Mais on peut également envisager d'utiliser, en guise de corps de repoussage, un fil pouvant par exemple présenter différentes épaisseurs. [0027] D'après un autre mode de réalisation avantageux, on fournit et prépare en guise de semi-produits à base de fibres, tout au moins des semi-produits à base de fibres secs, pas encore imprégnés à savoir pré-imprégnés avec un matériau de matrice, les semi-produits à base de fibres secs étant infusés par un matériau de matrice après le drapage des semi-produits à base de fibres sur la surface d'outillage prédéterminée. A cet effet, il s'avère par exemple avantageux que le matériau à base de fibres drapé sur l'outillage de moulage mise en forme soit rendu étanche au vide, à l'aide d'un montage de maintien sous vide, puis que la pièce soit ensuite mise sous vide pour mieux infuser le matériau de matrice dans le matériau à base de fibres. Mais il est également envisageable d'utiliser des semi-produits à base de fibres pré-imprégnés (appelés « prépregs »), qui ne doivent plus obligatoirement être infusés par un matériau de matrice lors des étapes de fabrication suivantes. [0028] Il est également envisageable qu'après le drapage des semi-produits à base de fibres et avant l'infusion du matériau de matrice, les semi-produits à base de fibres soient enfermés de manière étanche au vide ou soient rendus étanches, et que les semi-produits à base de fibres soient ensuite mis sous vide au moyen d'une pompe à vide. [0029] Par ailleurs, il s'est également avéré avantageux que les corps de repoussage soient revêtus ou munis d'un agent séparateur, ou bien soient préparés et fournis avec un tel agent séparateur, pour que les corps de repoussage puissent à nouveau être retirés, de manière non destructive, des ouvertures ayant été formées, sans adhérer trop fortement au matériau de matrice qui durcit. Mais il est également concevable de réaliser les corps de repoussage en un matériau présentant, par principe, la propriété de ne former que difficilement une liaison par collage avec le matériau de matrice. [0030] Avantageusement, les corps de repoussage sont munis ou revêtus, avant l'introduction dans les semi-produits à base de fibres, d'un agent séparateur, ou bien sont préparés et fournis avec un tel agent séparateur. [0031] Le but recherché est également atteint par l'utilisation d'une pièce composite renforcée de fibres en tant que structure porteuse d'un corps d'aile laminaire hybride, la pièce composite renforcée de fibres renfermant une pluralité d'ouvertures d'étranglement réalisées à l'aide de corps de repoussage que l'on introduit dans les semi-produits à base de fibres par repoussage non destructif des fibres des semi- 8 produits à base de fibres respectifs aux endroits où doivent être prévues ultérieurement les ouvertures d'étranglement dans la structure porteuse située à l'intérieur, et que l'on retire après durcissement d'un matériau de matrice noyant les semi-produits à base de fibres. [0032] De manière avantageuse, on utilise une pièce composite renforcée de fibres en guise de structure porteuse d'un corps d'aile laminaire hybride avec lequel une mise en forme adéquate et une aspiration de couche limite doivent permettre un écoulement laminaire autour du corps d'aile. Brève description des dessins [0033] L'invention va être explicitée plus en détail au moyen d'exemples au regard des figures annexées. Celles-ci montrent : [0034] [fig.1] La Figure 1 est une représentation schématique d'une partie d'un corps d'aile laminaire hybride ; [0035] [fig.21 La Figure 2 est une représentation schématique de l'introduction d'un corps de repoussage dans des semi-produits à base de fibres ; [0036] [fig.31 La Figure 3 est une représentation schématique, à titre d'exemple, d'un aspect partiel du procédé de fabrication. Description des modes de réalisation [0037] La figure 1 montre, selon une vue de détail, une partie d'un corps d'aile laminaire hybride 1, possédant une peau 2 et une structure porteuse 3. Sur son côté dirigé vers la membrane extérieure 2, la structure porteuse 3 présente un profilage 4 de forme ondulée. Une cavité 5 est formée entre deux sommets d'onde permet ensuite de former les chambres d'aspiration 6 par l'agencement de la peau 2 sur ce profilage 4 de forme ondulée de la structure porteuse 3. [0038] La peau 2 est ici perforée, notamment dans le domaine de la microperforation, et peut par exemple présenter des ouvertures de moins de 100 pm. Grâce à cette peau 2 perforée, il est possible, en produisant une dépression dans les chambres d'aspiration 6, d'obtenir une aspiration vers l'intérieur des chambres d'aspiration 6, d'un fluide s'écoulant autour du corps d'aile, comme indiqué schématiquement par les flèches 7. [0039] Pour produire une dépression dans les chambres d'aspiration 6, chaque chambre d'aspiration 6 est en outre reliée de manière communicante à un système d'aspiration 9, par l'intermédiaire d'une ouverture d'étranglement 8. Le système d'aspiration 9 peut par exemple être prévu à l'intérieur du bord d'attaque de l'aile sous forme d'une chambre de dépression, qui est en liaison communicante avec les chambres d'aspiration 6 respectives par l'intermédiaire des ouvertures d'étranglement 8. [0040] Les ouvertures d'étranglement 8 peuvent en l'occurrence présenter différents diamètres, pour régler ainsi de manière correspondante la force d'aspiration. 9 [0041] Un tel corps d'aile 1 permet d'aspirer de manière ciblée la couche limite lors de l'écoulement autour du corps d'aile aérodynamique 1, et ainsi de conserver le plus longtemps possible un écoulement de couche limite sur l'étendue de la section transversale du corps d'aile. [0042] Conformément à l'invention, la structure porteuse 3 avec les ouvertures d'étranglement 8 doit être fabriquée en un matériau composite renforcé de fibres, les ouvertures d'étranglement 8 ne devant précisément pas être réalisées à l'aide d'un procédé d'usinage par enlèvement de copeaux, comme cela serait par exemple le cas avec un perçage. Conformément à l'invention, il est au contraire proposé qu'à l'aide d'un corps de repoussage 100, tel qu'il est indiqué schématiquement figure 2, les fibres soient repoussées de manière non destructive par l'introduction du corps de repoussage 100 dans le semi-produit à base de fibres 110, le corps de repoussage 100 demeurant dans le matériau à base de fibres 110 pendant le durcissement du matériau de matrice. Il est indiqué schématiquement que dans la zone de repoussage 120, les fibres du matériau à base de fibres 110 ne sont pas détériorées, mais seulement déviées de leur trajectoire, ce qui permet à la pièce de conserver sa propriété de résistance à la charge. [0043] La figure 3 montre schématiquement le paquet de couches de fibres 200 plat, constitué de plusieurs couches de semi-produits à base de fibres 110. Dans la zone de repoussage 120, à l'endroit où doit être prévue ultérieurement l'ouverture d'étranglement correspondante, on introduit à présent un corps de repoussage 210, qui présente une collerette à son extrémité supérieure et se raccorde ainsi de manière jointive avec le paquet de couches de fibres 200 supérieur. En un côté inférieur, qui plus tard est amené en contact avec un outillage de mise en forme, le corps de repoussage 210 se raccorde de manière jointive avec le côté inférieur du paquet de couches de fibres. [0044] Après la formation de tels paquets de couches de fibres et l'introduction des corps de repoussage 210, le paquet de couches de fibres 200 est déposé sur une surface de mise en forme 310 d'un outillage de mise en forme 300, comme indiqué schématiquement dans la partie inférieure de la figure 3. A cette occasion le paquet de couches de fibres 200 est amené à sa forme de pièce ultérieure et peut à présent être désigné comme pièce de construction 320. A cette occasion, le paquet de couches de fibres 200 est courbé, également de manière multiple, hors du plan initial des fibres, en lui conférant ainsi sa forme ultérieure de pièce de construction. Nomenclature des repères [0045] 1 corps d'aile laminaire hybride 2 peau 3 structure porteuse 4 profilage de forme ondulée 5 cavité 6 chambres d'aspiration 7 aspiration 8 ouverture d'étranglement 9 système d'aspiration 100 corps de repoussage 110 semi-produit à base de fibres 120 zone de repoussage 200 paquet de couches de fibres 210 corps de repoussage 300 outillage 310 surface de mise en forme de l'outillage 320 pièce de construction 11 [Revendication 11