Brevet FR3103557A1 — publié le 20210528

Dispositif de maintien en compaction d’une texture fibreuse pour la caractérisation de matériaux composites Un dispositif de maintien (100) d’un effort de compaction sur une texture fibreuse comprend des premier et deuxième éléments de compaction (110, 120) en regard l’un de l’autre. Les premier et deuxième éléments de compaction sont mobiles l’un par rapport à l’autre de manière à définir entre eux un logement à hauteur variable pour une texture fibreuse (10). Le dispositif de maintien comprend en outre des organes de serrage (150, 152, 153, 154, 156, 157) aptes à maintenir les premier et deuxième éléments de compaction (110, 120) à une distance déterminée (Dc) l’un de l’autre correspondant à un effort de compaction déterminé (PC) sur la texture fibreuse. Chacun des premier et deuxième éléments de compaction présente un taux de transmittance des rayons supérieur ou égal à 20%. Figure pour l’abrégé : Fig. 2. Dispositif de maintien en compaction d’une texture fibreuse pour la caractérisation de matériaux composites L'invention concerne la caractérisation des textures fibreuses utilisées pour former des renforts fibreux dans des matériaux composites. La fabrication d’une pièce en matériau composite comprend la réalisation d’une texture fibreuse par exemple par tissage tridimensionnel, bidimensionnel, empilement de strates unidirectionnelles ou bidirectionnelle, enchevêtrement de fibres non tissées ou mélange de tissage, empilement et/ou enchevêtrement de fibres, etc. La texture fibreuse ainsi obtenue est compactée de manière à atteindre un taux volumique de fibres visé puis densifiée par une matrice, par exemple en injectant et en polymérisant/durcissant une résine dans la texture fibreuse. De telles pièces sont de plus en plus utilisées dans le domaine de l'aéronautique du fait de leur robustesse et de leur faible poids comparé à des pièces fabriquées avec d'autres matériaux. Ces pièces sont également faciles à fabriquer. Parmi les pièces concernées, les pièces de moteur sont particulièrement concernées, parmi lesquelles les aubes de turbine à gaz ou les carters. Afin de caractériser les propriétés thermomécaniques d’un matériau composite, on réalise des modélisations numériques du matériau en complément, voire en substitution, d’essais expérimentaux en raison de la qualité et la rapidité de réponse d’un modèle numérique. Un procédé de caractérisation d'une pièce en matériau composite est notamment divulgué dans le document US 9 916 651. Un matériau composite étant constitué d’un renfort fibreux et d’une matrice, il est intéressant de pouvoir caractériser ces éléments de façon indépendante. On s’intéresse ici plus particulièrement à la modélisation de la structure fibreuse destinée à former le renfort du matériau composite avant l’injection d’une résine. La méthode consistant à extraire la morphologie interne de la texture fibreuse par le biais de la tomographie représente une voie plus réaliste que celle purement numérique car elle est basée sur de l’imagerie par rayon X qui donne des informations tridimensionnelles inaccessibles sinon. Cette méthode est facilement applicable lorsque l’on travaille sur un matériau composite fini, c’est-à-dire lorsque le renfort est emprisonné dans la matrice, car sa morphologie interne ne bouge pas quand on le manipule pour le placer dans le tomographe. En effet, la matrice opérant comme liant entre les fibres rigidifie la structure et la géométrie du renfort n’est alors plus modifiée lorsque le composite est soumis aux manipulations liées à son introduction dans le moyen d’imagerie. Cependant, lorsque l’on souhaite passer en tomographie une préforme fibreuse en la maintenant dans un état de compaction donné, il est difficile de ne pas faire bouger sa structure interne à cause des manipulations manuelles ou de la relaxation naturelle des contraintes internes. Lorsqu’une texture fibreuse est compactée, elle n’est plus dans son état d’équilibre mécanique et a tendance à se relaxer. En effet, l’énergie interne des mèches ou fils emmagasinée lors de leurs déformations et les efforts liés aux contacts-frottements entre les mèches ont tendance à vouloir diminuer en se libérant car la texture tend à retrouver son état d’équilibre. Cette relaxation n’est pas souhaitable quand on désire conserver un état donné de compaction dans lequel les mèches subissent des déformations et peuvent être éloignées de leur état d’équilibre. Or, il existe un besoin pour maintenir la morphologie d’une texture fibreuse après une sollicitation mécanique externe du type compaction lors d’une tomographie afin d’en extraire sa géométrie et permettre le calcul de ses propriétés mécaniques. L’invention a pour but de proposer une solution permettant l’acquisition d’images par rayons d’une texture fibreuse dans n’importe quel état de compaction. Ce but est atteint notamment grâce à un dispositif de maintien d’un effort de compaction sur une texture fibreuse comprenant au moins des premier et deuxième éléments de compaction en regard l’un de l’autre, les premier et deuxième éléments de compaction étant mobiles l’un par rapport à l’autre de manière à définir entre eux un logement à hauteur variable pour une texture fibreuse, le dispositif de maintien comprenant en outre des organes de serrage aptes à maintenir les premier et deuxième éléments de compaction à une distance déterminée l’un de l’autre correspondant à un effort de compaction déterminé sur la texture fibreuse, chacun des premier et deuxième éléments de compaction présentant un taux de transmittance aux rayons supérieur ou égale à 20%. Le dispositif de l’invention permet de réaliser des images d’une texture fibreuse par rayons, notamment par rayons X ou rayons gamma, alors que celle-ci est maintenue dans un état de compaction déterminé. Il est ainsi possible de modéliser et caractériser précisément des efforts de compaction exercés sur une structure fibreuse. En effet, en empêchant aux mèches ou fils de la texture de se relaxer après l’application d’un effort de compaction, le dispositif de l’invention permet de conserver les déformations subies par la texture dans son état compacté et d’en acquérir des images pour leur étude. Selon une caractéristique particulière du dispositif de maintien de l’invention, chacun des premier et deuxième éléments de compaction est en un matériau présentant une raideur inférieure ou égale à 20Gpa et une épaisseur comprise entre 5mm et 100mm. Selon une autre caractéristique particulière du dispositif de maintien de l’invention, chacun des premier et deuxième éléments de compaction comprend sur sa face en regard de l’autre élément un premier matériau présentant une raideur inférieure ou égale à 20Gpa et sur sa face opposée un deuxième matériau présentant une raideur supérieure à 20Gpa, le premier matériau présentant une épaisseur comprise entre 1mm et 500mm, le deuxième matériau présentant une épaisseur comprise entre 1mm et 100mm L’utilisation d’un deuxième matériau plus dense sur la face extérieure des éléments compaction permet d’accroître la rigidité de ceux-ci et permettre l’application d’efforts de compactage important sur des textures fibreuses. Le premier matériau peut être un polymère thermoplastique ou thermodurcissable et le deuxième matériau de l’aluminium ou un matériau composite à matrice organique comprenant par exemple un renfort en fibres de carbone densifié par une matrice en résine. Selon une autre caractéristique particulière du dispositif de maintien de l’invention, au moins un des premier et deuxième éléments de compaction comprend sur sa face en regard de l’autre élément une empreinte correspondant à une forme d’une pièce en matériau composite. Il est ainsi possible d’acquérir des images par tomographie de préformes fibreuses présentant une géométrie particulière correspondant à celle d’une pièce en matériau composite à fabriquer. Cela peut être très utile pour la caractérisation de préformes présentant des géométries complexes et dans lesquels il est difficile de prévoir les déformations dans les différentes zones de la préforme lors de l’application d’un effort de compaction. L’invention a également pour objet un procédé de tomographie par rayon X d’une texture fibreuse comprenant les étapes suivantes : - placement d’une texture fibreuse dans le logement à hauteur variable d’un dispositif de maintien selon l’invention, - application d’un effort de compaction déterminé sur les premier et deuxième éléments de compaction du dispositif de maintien, - ajustement des organes de serrage pour maintenir les premier et deuxième éléments de compaction à une distance déterminée l’un de l’autre correspondant à l’effort de compaction appliqué, - placement du dispositif de maintien avec la texture fibreuse dans un tomographe. Le dispositif et le procédé de l’invention sont particulièrement adaptés pour l’acquisition d’images par rayons, en particulier par rayons X (tomographie) ou gamma, d’états de compaction de textures fibreuses réalisées par tissage tridimensionnel. La figure 1 est une vue schématique en perspective éclatée d’un dispositif de maintien conformément à un mode de réalisation de l’invention, La figure 2 est une vue schématique en perspective du dispositif de la figure 1 après application d’un effort de compaction sur une texture fibreuse, La figure 3 est une vue schématique en perspective éclatée d’un dispositif de maintien conformément à un autre mode de réalisation de l’invention, La figure 4 est une vue schématique en perspective du dispositif de la figure 3 après application d’un effort de compaction sur une texture fibreuse, La figure 5 est une vue schématique en perspective éclatée d’un dispositif de maintien conformément à un autre mode de réalisation de l’invention. L'invention s'applique au maintien de la morphologie d’une structure fibreuse après l’application d’un effort transverse de type compaction et à l’acquisition d’images par rayons de la texture ainsi maintenue. Les textures fibreuses visées ici sont notamment destinées à former des renforts fibreux de pièces en matériau composite D’une manière générale, le renfort fibreux d’une pièce en matériau composite peut être réalisé à partir d’une texture fibreuse en fibres de diverses natures, en particulier des fibres de carbone, de verre ou de céramique (par exemple carbure de silicium) ou de carbone. La texture fibreuse utilisée peut être de diverses natures et formes telles que notamment: - tissu bidimensionnel (2D), - tissu tridimensionnel (3D) obtenu par tissage 3D ou multicouches tel que notamment décrit dans le document WO 2010/061140, - tresse, - tricot, - feutre, - nappe unidirectionnelle (UD) de fils ou câbles ou nappes multidirectionnelle (nD) obtenue par superposition de plusieurs nappes UD dans des directions différentes et liaison des nappes UD entre elles par exemple par couture, par agent de liaison chimique ou par aiguilletage. La figure 1 représente un dispositif de maintien 100 conformément à un mode de réalisation de l’invention. Le dispositif de maintien 100 comprend des premier et deuxième éléments de compaction 110 et 120 formés ici par des plaques en regard l’une de l’autre. Les deux éléments de compaction 110 et 120 sont mobiles l’un par rapport l’autre suivant une direction D V perpendiculaire au plan de ces éléments. Dans l’exemple décrit ici, le dispositif de maintien comprend quatre tiges de guidage 130, 131, 132 et 133 qui coopèrent respectivement avec des orifices 111, 112, 113 et 114 présents aux quatre coins de l’élément de compaction 110 et avec des orifices 221, 222, 223 et 224 présents aux quatre coins de l’élément de compaction 120. Les éléments de compaction 110 et 120 sont aptes à coulisser le long des tiges de guidage 130 à 133 de manière à définir entre eux un logement à hauteur variable dans lequel est placée une texture fibreuse 10 dont on veut acquérir des images par tomographie après application sur celle-ci d’un effort de compaction. La texture 10 correspond par exemple à une préforme fibreuse réalisée par tissage tridimensionnel de fils de fibres de carbone ou à un empilement de strates de tissu bidimensionnel de fils de fibres de carbone. Le dispositif de maintien 100 comprend également des organes de serrage 150 à 157 coopérant avec les extrémités filetées des tiges de guidage 130 à 133 et qui ont pour fonction de maintenir les premier et deuxième éléments de compaction 110 et 120 à une distance déterminée l’un de l’autre après application d’un effort de compaction déterminé sur la texture fibreuse. Le dispositif de maintien est destiné à permettre l’acquisition d’images par rayons, en particulier par rayons X ou rayons gamma suivant les diverses méthodes connues de contrôle non destructif. Dans l’exemple décrit ici, le dispositif de maintien est utilisé pour une acquisition d’images par tomographie. Pour mémoire, l’acquisition d’images par tomographie aux rayons X consiste à mesurer l’atténuation d’un faisceau de rayons X traversant la texture fibreuse, suivant différents plans de section de l’objet. Un ensemble de projections permet ensuite, par traitement informatique de reconstituer une image en trois dimensions de l’intérieur de la pièce. Pour permettre l’acquisition d’images de la texture fibreuse par tomographie sans altérer la qualité de l’imagerie réalisée sur la texture fibreuse, les éléments de compaction 110 et 120 présentent un taux d’absorption des rayons X inférieur ou égal à 80%. Le niveau d’absorption ou la transmittance des éléments de compaction du dispositif de maintien de l’invention peut être déterminé par la loi de Beer-Lambert qui, de façon connue, permet de relier l’atténuation d’un rayonnement aux propriétés du milieu d’un matériau et à son épaisseur. La loi de Beer-Lambert calcule, le long d’un trajet donné des rayons X au sein de la matière, le rapport entre le nombre de photons transmis N et le nombre de photons incidents N 0 . Comme le montre l’expression (1) ci-dessous, ce nombre dépend du coefficient d’absorption (ou d’atténuation linéique) µ (en m −1 ) du matériau le long du trajet s . (1) Où : I 0 est l’intensité de la lumière incidente, I est l’intensité de la lumière sortante, µ est le coefficient d’atténuation du matériau, s est la longueur du trajet optique dans le matériau. Par conséquent, conformément à l’invention, le ou les matériaux de chaque élément de compaction et leur épaisseur sont choisis de manière à avoir un rapport I / I 0 , c’est-à-dire une transmittance, supérieur ou égale à 20%. Selon une caractéristique particulière du dispositif de l’invention, les éléments de compaction sont réalisés avec un matériau présentant une raideur inférieure ou égale à 20Gpa, tel qu’un polymère thermoplastique et thermodurcissable. Dans ce cas, chaque élément de compaction 110, 120 présente une épaisseur E P110 , EP 120 comprise entre 5mm et 100mm. Les éléments de compaction peuvent être également réalisés avec des mousses denses, des ballons de baudruche ou encore des systèmes de vessies La figure 1 illustre le placement d’une texture fibreuse 10 dans le logement à hauteur variable du dispositif de maintien 100. Une fois la texture fibreuse 10 placée entre les éléments de compaction 110 et 120, l’ensemble est placé dans une presse de compactage 200 comme illustré sur la figure 2. Plus précisément, l’élément de compaction 110 est mis en contact avec un premier plateau 210 d’une presse de compactage 200 tandis que l’élément de compaction 120 est mis en contact avec un deuxième plateau 220 de la presse. Une pression de compactage PC est ensuite exercée sur les deux plateaux 210 et 220 respectivement par des premier et deuxième vérins 230 et 240. La pression PC exercée correspond au taux de compactage que l’on souhaite appliquer sur la texture fibreuse 10. Une fois le compactage réalisé, on ajuste les organes de serrages 150 à 157, dans l’exemple décrit ici par vissage sur les parties filetées des tiges de guidage 131 à 133 afin maintenir les premier et deuxième éléments de compaction 110 et 120 à une distance déterminée D C l’un de l’autre correspondant à l’effort de compaction appliqué sur la texture fibreuse 10. Ainsi, la morphologie de la texture fibreuse est figée dans son état de compaction à l’intérieur du dispositif de maintien. L’ensemble constitué du dispositif de maintien et de la texture fibreuse maintenue en compaction est alors placée dans un tomographe pour permettre l’acquisition d’image de la texture fibreuse. Les figures 3 et 4 montrent un dispositif de maintien 300 conformément à autre mode de réalisation de l’invention qui est destiné à maintenir dans un état de compaction une texture fibreuse 20 destinée à former le renfort d’une aube en matériau composite. La texture fibreuse 20 correspond ici à une préforme fibreuse réalisée par tissage tridimensionnel de fils de fibres de carbone. Le dispositif de maintien 300 comprend un premier élément de maintien ou coquille 310 comportant en son centre une première empreinte 315 correspondant en partie à la forme et aux dimensions de l’aube à réaliser. Le dispositif de maintien 300 comprend également un deuxième élément de compaction ou coquille 320 comportant en son centre une deuxième empreinte 325 correspondant en partie à la forme et aux dimensions de l’aube à réaliser. Les deux éléments de compaction 310 et 320 sont mobiles l’un par rapport l’autre suivant une direction D V perpendiculaire au plan de ces éléments. Dans l’exemple décrit ici, le dispositif de maintien comprend quatre tiges de guidage 330 à 333 qui coopèrent respectivement avec des orifices 311 à 314 présents aux quatre coins de l’élément de compaction 310 et avec des orifices 321 à 324 présents aux quatre coins de l’élément de compaction 320. Les éléments de compaction 310 et 320 sont aptes à coulisser le long des tiges de guidage 330 à 333 de manière à définir entre eux un logement à hauteur variable dans lequel est placée une texture fibreuse 20 dont on veut acquérir des images par tomographie après application sur celle-ci d’un effort de compaction. Le dispositif de maintien 300 comprend également des organes de serrages 350 à 357 coopérant avec les extrémités filetées des tiges de guidage 330 à 333 et qui ont pour fonction de maintenir les premier et deuxième éléments de compaction 310 et 320 à une distance déterminée l’un de l’autre après application d’un effort de compaction déterminé sur la texture fibreuse. La texture fibreuse 20 est tout d’abord positionnée dans l’empreinte 311 de la première coquille 310, la deuxième coquille 320 étant ensuite posée sur la première coquille 310. Une fois le dispositif de maintien 300 assemblé comme illustré sur la figure 4, les premier et deuxième éléments de compaction 310, 320 sont placés en regard l’un de l’autre. Dans cette configuration, les éléments de compaction 310, 320 définissent ensemble un logement à hauteur variable ayant la forme de l’aube à réaliser et dans lequel est placée la texture fibreuse 20. Toujours sur la figure 4, le dispositif de maintien 300 avec la texture fibreuse 20 à l’intérieur de celui-ci est placé dans une presse de compactage 400. La presse 400 comprend un plateau inférieur 410 sur lequel repose le premier élément de compaction 310 et un plateau supérieur 420 placé contre le deuxième élément de compaction 320 du dispositif de maintien 300. Une pression de compactage PC est ensuite exercée sur les deux plateaux 410 et 420 respectivement par des premier et deuxième vérins 420 et 430. La pression PC exercée correspond au taux de compactage que l’on souhaite appliquer sur la texture fibreuse 20. Une fois le compactage réalisé, on ajuste les organes de serrages 350 à 357, dans l’exemple décrit ici par vissage sur les parties filetées des tiges de guidage 330 à 333 afin maintenir les premier et deuxième éléments de compaction 310 et 320 à une distance déterminée D C l’un de l’autre correspondant à l’effort de compaction appliqué sur la texture fibreuse 20. Ainsi, la morphologie de la texture fibreuse est figée dans son état de compaction à l’intérieur du dispositif de maintien. L’ensemble constitué du dispositif de maintien et de la texture fibreuse maintenue en compaction est alors placée dans un tomographe pour permettre l’acquisition d’image de la texture fibreuse. La figure 5 montre un dispositif de maintien 500 conformément à un autre mode de réalisation de l’invention. Le dispositif de maintien 500 diffère des dispositifs de maintien 100 et 300 décrits précédemment en ce que les premier et deuxième éléments de compaction 510 et 520 sont chacun réalisés avec deux matériaux. Plus précisément, les éléments de compaction 510 et 520 comprennent chacun sur leur face interne 510a, 520a en regard d’une texture fibreuse 30 un premier matériau 511, 521 présentant une densité une raideur inférieure ou égale à 20Gpa, tel qu’un polymère thermoplastique et thermodurcissable. En outre, les éléments de compaction 510 et 520 comprennent chacun sur leur face externe 510b, 520b un deuxième matériau 512, 522 présentant une raideur supérieure à 20Gpa, tel que de l’aluminium, du titane ou tout alliage métallique à base de nickel ou d’acier. Le deuxième matériau 512, 522 présente une épaisseur qui est inférieure à l’épaisseur du premier matériau 511, 521 afin de ne pas altérer la qualité de l’imagerie réalisée ici par tomographie Le premier matériau peut présenter une épaisseur comprise entre 1mm et 500mm tandis que le deuxième matériau peut présenter une épaisseur comprise entre 1mm et 100mm. L’utilisation d’un deuxième matériau plus dense sur la face extérieure des éléments compaction permet d’accroître la rigidité de ceux-ci et permettre l’application d’efforts de compactage important sur des textures fibreuses. Selon une variante de réalisation, le premier matériau 511 et 521 est une mousse dense qui permet par déformation de bloquer la relaxation de la texture fibreuse dans la direction transversale (parallèle à la direction D V sur la figure 5) mais également dans la direction latérale (perpendiculaire à la direction D V ). On pourra notamment utiliser les mousses denses suivantes : Mousse de polystyrène expansé (PSE), polypropylène expansé (PPE), polyéthylène expansé (PEE), mousse de PVC expansé et mousse polyuréthane. Les deux éléments de compaction 510 et 520 sont mobiles l’un par rapport l’autre suivant une direction D V perpendiculaire au plan de ces éléments. Dans l’exemple décrit ici, le dispositif de maintien comprend quatre tiges de guidage 530 à 533 qui coopèrent respectivement avec des orifices présents aux quatre coins de l’élément de compaction 510 et avec des orifices présents aux quatre coins de l’élément de compaction 320. Les éléments de compaction 510 et 520 sont aptes à coulisser le long des tiges de guidage 530 à 533 de manière à définir entre eux un logement à hauteur variable dans lequel est placée une texture fibreuse 30 dont on veut acquérir des images par rayons après application sur celle-ci d’un effort de compaction. Le dispositif de maintien 500 comprend également des organes de serrages 550 à 557 coopérant avec les extrémités filetées des tiges de guidage 530 à 533 et qui ont pour fonction de maintenir les premier et deuxième éléments de compaction 510 et 520 à une distance déterminée l’un de l’autre après application d’un effort de compaction déterminé sur la texture fibreuse. Les moyens de serrage du dispositif de l’invention ne sont pas limités aux organes de serrage type vis-écrou décrits ci-avant. Tout autre type de moyen de serrage adaptés pour maintenir les premier et deuxième éléments de compaction à une distance déterminée l’un de l’autre peuvent être utilisés avec le dispositif de l’invention. Dispositif de maintien (100) d’un effort de compaction sur une texture fibreuse comprenant au moins des premier et deuxième éléments de compaction (110, 120) en regard l’un de l’autre, les premier et deuxième éléments de compaction étant mobiles l’un par rapport à l’autre de manière à définir entre eux un logement à hauteur variable pour une texture fibreuse (10), le dispositif de maintien comprenant en outre des organes de serrage (150, 151, 152, 153, 154, 155, 156, 157) aptes à maintenir les premier et deuxième éléments de compaction (110, 120) à une distance déterminée (D C ) l’un de l’autre correspondant à un effort de compaction déterminé (PC) sur la texture fibreuse, chacun des premier et deuxième éléments de compaction présentant un taux de transmittance des rayons supérieur ou égal à 20%. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel chacun des premier et deuxième éléments de compaction (110, 120) est en un matériau présentant une raideur inférieure ou égale à 20Gpa et une épaisseur comprise entre 5mm et 100mm. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel le matériau est un polymère. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel chacun des premier et deuxième éléments de compaction (510, 520) comprend sur sa face (510a, 520a) en regard de l’autre élément un premier matériau (511, 521) présentant une raideur inférieure ou égale à 20Gpa et sur sa face opposée (510b, 520b) un deuxième matériau (512, 522) présentant une raideur supérieure à 20Gpa, le premier matériau présentant une épaisseur comprise entre 1mm et 500mm, le deuxième matériau présentant une épaisseur comprise entre 1mm et 100mm . Dispositif selon la revendication 4, dans lequel le premier matériau (511, 521) est un polymère thermoplastique ou thermodurcissable et dans lequel le deuxième matériau (512, 522) est de l’aluminium ou un matériau composite à matrice organique. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel au moins un des premier et deuxième éléments de compaction (310, 320) comprend sur sa face en regard de l’autre élément une empreinte (315, 325) correspondant à une forme d’une pièce en matériau composite. Procédé de tomographie par rayon X d’une texture fibreuse comprenant les étapes suivantes : - placement d’une texture fibreuse (10) dans le logement à hauteur variable d’un dispositif de maintien (100) selon l’une quelconques des revendications 1 à 6, - application d’un effort de compaction déterminé (PC) sur les premier et deuxième éléments de compaction (110, 120) du dispositif de maintien, - ajustement des organes de serrage (150, 151, 152, 153, 154, 155, 156, 157) pour maintenir les premier et deuxième éléments de compaction à une distance déterminée (Dc) l’un de l’autre correspondant à l’effort de compaction appliqué, - placement du dispositif de maintien (100) avec la texture fibreuse (10) dans un tomographe. Procédé selon la revendication 7, dans lequel la texture fibreuse (10) est réalisée par tissage tridimensionnel.