Brevet FR3126105A1 — publié le 20230217

Préforme fibreuse de disque de frein à reprise d’effort améliorée L’invention concerne une préforme fibreuse destinée à former le renfort fibreux d’un disque de frein en matériau composite ayant un taux de fibres en Z limité au moins dans des zones de tenon afin d’améliorer la reprise d’effort ou la reprise des efforts issus du couple de freinage. Figure pour l’abrégé : Fig. 1. Préforme fibreuse de disque de frein à reprise d’effort améliorée L’invention concerne une préforme fibreuse qui est destinée à former le renfort fibreux d’un disque de frein et qui comprend un taux de fibres en Z réduit au niveau des zones de tenon afin d’améliorer la reprise d’effort en fonctionnement. L’invention concerne également le procédé de fabrication d’une telle préforme fibreuse, le disque de frein associé et la réparation de ce disque de frein en cas d’endommagement des faces frottantes après utilisation. Il est souhaitable de disposer de disques de frein dont la tenue mécanique est améliorée en fonctionnement sans dégradation des propriétés tribologiques. L’invention concerne une préforme fibreuse destinée à former le renfort fibreux d’un disque de frein en matériau composite, comprenant : - une première portion fibreuse et une deuxième portion fibreuse comprenant chacune une superposition de couches fibreuses renforcées par des fibres en Z et chacune destinée à définir une face frottante distincte du disque de frein, et - une portion intermédiaire fibreuse de reprise d’efforts présente entre la première portion et la deuxième portion, la portion intermédiaire comprenant une zone circonférentielle périphérique comprenant au moins des zones de tenon et présentant un taux de fibres en Z qui est inférieur ou égal à 3,5%. Le taux de fibres en Z dans une zone donnée est une grandeur connue de l’homme du métier, elle correspond au volume de fibres s’étendant le long de l’épaisseur de la préforme (direction Z) rapporté au volume de fibres dans le plan de la préforme. Le taux de fibres en Z peut être déterminé par analyse morphologique (analyse d’images). Dans ce cas, on réalise des coupes dans le plan XY, les fibres sont donc transverses à ce plan et l’on compte la surface des fibres afin de déduire le taux de fibres en Z. On peut également utiliser une analyse tomographique (méthode non destructrice) pour déterminer le taux de fibres en Z. Plusieurs techniques peuvent être mises en œuvre durant la fabrication de la préforme fibreuse afin de moduler localement le taux de fibres en Z, comme l’aiguilletage, qui aboutit à un transfert de fibres des couches fibreuses planes le long de la direction Z afin de lier ces couches fibreuses entre elles, ou des techniques d’introduction de fibres extérieures aux couches fibreuses pour la liaison de celles-ci, comme le touffetage (« tufting »), le pinçage qui consiste à insérer un jonc de fibres consolidées ou la couture, étant entendu que ces techniques peuvent être combinées. Les tenons des disques de frein, qui coopèrent avec les crans d’une roue à freiner lorsque le disque de frein est intégré à l’ensemble de freinage, sont particulièrement sollicités mécaniquement en fonctionnement. Les inventeurs ont constaté que la limitation du taux de fibres en Z dans la zone circonférentielle périphérique de la portion intermédiaire permet d’améliorer significativement la reprise d’effort du disque en fonctionnement, ou la reprise des efforts issus du couple de freinage, et donc sa tenue mécanique en améliorant les propriétés dans le plan du disque, ce qui est en particulier souhaitable dans le cas de disques de frein avec cavalier. Cette solution a, par ailleurs, l’avantage de ne pas modifier les faces frottantes, situées de part et d’autre de la portion intermédiaire, et donc de ne pas affecter les propriétés tribologiques du disque. Dans un exemple de réalisation, le taux de fibres en Z dans la zone circonférentielle périphérique est inférieur ou égal à 2,5%, par exemple inférieur ou égal à 2%. Une telle caractéristique permet d’améliorer davantage encore la reprise d’effort du disque en fonctionnement et donc sa tenue mécanique. En particulier, le taux de fibres en Z dans la zone circonférentielle périphérique peut être nul. Dans un exemple de réalisation, une largeur de la zone circonférentielle périphérique est égale à la somme d’une largeur des zones de tenon et d’une distance d, où ladite distance d est comprise entre r et 1,5r, r désignant le rayon local au pied de tenon. Dans ce cas, la zone circonférentielle périphérique ayant un taux de fibres en Z limité s’étend au-delà des zones de tenon vers l’intérieur de la préforme de disque et cette caractéristique permet d’améliorer davantage encore la reprise d’effort du disque en fonctionnement et donc sa tenue mécanique. Dans un exemple de réalisation, la zone circonférentielle périphérique présente, au moins en zone de pied de tenon, un empilement comprenant au moins des premières nappes fibreuses unidirectionnelles formant un angle de 0° +/- 10° par rapport à un axe normal à un plan bissecteur au pied de tenon. Une telle caractéristique permet d’améliorer davantage encore la reprise d’effort du disque en fonctionnement et donc sa tenue mécanique. En particulier, l’empilement peut en outre comprendre des deuxièmes nappes fibreuses unidirectionnelles orientées à 0° +/- 10° par rapport à une direction radiale de la préforme fibreuse. Une telle caractéristique permet avantageusement de reprendre les efforts dans cette direction radiale dus au dépliage du pied de tenon. En particulier, l’empilement peut en outre comprendre : - des troisièmes nappes fibreuses unidirectionnelles orientées à X° +/- 10° par rapport à l’axe normal, et - des quatrièmes nappes fibreuses unidirectionnelles orientées à – X° +/- 10° par rapport à l’axe normal, avec X étant compris entre 30 et 60. Une telle caractéristique permet avantageusement d’améliorer la tenue mécanique aux sollicitations en cisaillement. Dans un exemple de réalisation, la portion intermédiaire comprend une zone centrale entourée par la zone circonférentielle périphérique, cette zone centrale comprenant un empilement quasi-isotropique de couches fibreuses unidirectionnelles. Dans un exemple de réalisation, les première et deuxième portions présentent chacune un taux de fibres en Z compris entre 1,5% et 7%. Une telle caractéristique confère aux faces frottantes un taux de fibres en Z suffisant pour optimiser la cohésion entre les couches fibreuses tout en maîtrisant ce taux de sorte à optimiser leurs propriétés mécaniques vis-à-vis des sollicitations s’exerçant sur ces zones en fonctionnement. Dans un exemple de réalisation, les première et deuxième portions comprennent chacune un empilement quasi-isotropique de couches fibreuses unidirectionnelles. Une telle caractéristique permet d’optimiser les propriétés tribologiques du disque de frein. En particulier et selon un exemple non limitatif, l’empilement quasi-isotropique peut comprendre successivement le long de l’épaisseur de la préforme une première couche fibreuse unidirectionnelle orientée à 0° +/- 10°, une deuxième couche fibreuse unidirectionnelle orientée à +60° +/- 10°, et une troisième couche fibreuse unidirectionnelle orientée à -60° +/- 10°, les orientations des couches fibreuses étant mesurées par rapport à une direction radiale de la préforme fibreuse. L’homme du métier reconnaîtra que d’autres orientations de fibres sont possibles pour former l’empilement quasi-isotropique. L’invention vise également un disque de frein en matériau composite comprenant une préforme fibreuse telle que décrite plus haut, et une matrice présente entre les fibres de la préforme fibreuse. Le disque de frein peut être en matériau composite carbone/carbone avec la préforme fibreuse formée de fibres de carbone, et une matrice de carbone densifiant la préforme. La matrice de carbone peut éventuellement comprendre du zirconium ou un composé du zirconium, du silicium ou un composé de silicium tel que le carbure de silicium. Le disque de frein peut équiper un véhicule, comme un aéronef, par exemple un avion ou un hélicoptère. L’invention vise également un procédé de fabrication d’une préforme fibreuse telle que décrite plus haut, comprenant au moins : - l’assemblage des première et deuxième portions fibreuses et de la portion intermédiaire. Dans un exemple de réalisation, le procédé comprend en outre la formation des première et deuxième portions fibreuses et de la portion intermédiaire par dépôt de couches superposées par technique de placement automatique de fibres et renforcement par des fibres en Z au moins des couches formant les première et deuxième portions. La mise en œuvre d’une technique de placement automatique de fibres (« Automated Fiber Placement » ; « technique AFP ») permet avantageusement de réduire les pertes de matière et les usinages supplémentaires lors de la fabrication de la préforme par rapport au cas où les disques sont découpés dans un bloc de matière obtenu au préalable. La technique AFP permet d’obtenir directement après dépôt la forme de la préforme finale ou une forme très proche de celle-ci (« near-net shape »). Dans un exemple de réalisation, l’assemblage est réalisé par l’une au moins des techniques suivantes : aiguilletage, touffetage, couture. L’invention vise également un procédé de réparation d’un disque de frein tel que décrit plus haut endommagé, comprenant au moins : - la séparation des faces frottantes endommagées de la portion intermédiaire densifiée, - le positionnement de première et deuxième portions fibreuses de réparation de part et d’autre de la portion intermédiaire densifiée, et - la densification par une matrice des première et deuxième portions de réparation ainsi positionnées afin d’obtenir le disque de frein réparé. La illustre, de manière schématique, une section d’un exemple de préforme fibreuse selon l’invention prise le long de son épaisseur. La illustre, de manière schématique et isolément, un détail d’une portion fibreuse de l’exemple de préforme de la qui est destinée à définir une face frottante. La illustre, de manière schématique et isolément, la structure de la portion intermédiaire de l’exemple de préforme fibreuse de la en vue de dessus. La illustre, de manière schématique et partielle, un détail de la montrant une orientation possible des fibres en zone de pied de tenon. La illustre, de manière schématique et partielle, un détail de la montrant une orientation possible des fibres en zone de pied de tenon. La illustre, de manière schématique et partielle, un détail de la montrant une orientation possible des fibres en zone de pied de tenon. La illustre, de manière schématique et partielle, un détail de la montrant une orientation possible des fibres en zone de pied de tenon. La représente, de manière schématique, un dispositif de mise en œuvre d’une technique AFP utilisable dans le cadre de l’invention. Préforme fibreuse (1) destinée à former le renfort fibreux d’un disque de frein en matériau composite, comprenant : - une première portion fibreuse (11) et une deuxième portion fibreuse (12) comprenant chacune une superposition de couches fibreuses (111 ; 121) renforcées par des fibres en Z et chacune destinée à définir une face frottante (F1 ; F2) distincte du disque de frein, et - une portion intermédiaire (13) fibreuse de reprise d’efforts présente entre la première portion et la deuxième portion, la portion intermédiaire comprenant une zone circonférentielle périphérique (25) comprenant au moins des zones de tenon (27) et présentant un taux de fibres en Z qui est inférieur ou égal à 3,5%. Préforme fibreuse (1) selon la revendication 1, dans laquelle le taux de fibres en Z dans la zone circonférentielle périphérique (25) est inférieur ou égal à 2,5%. Préforme fibreuse (1) selon la revendication 2, dans laquelle le taux de fibres en Z dans la zone circonférentielle périphérique (25) est nul. Préforme fibreuse (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle une largeur (L25) de la zone circonférentielle périphérique (25) est égale à la somme d’une largeur (L27) des zones de tenon et d’une distance d, où ladite distance d est comprise entre r et 1,5r, r désignant le rayon local au pied (29) de tenon. Préforme fibreuse (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle la zone circonférentielle périphérique (25) présente, au moins en zone de pied de tenon (29), un empilement comprenant au moins des premières nappes (135a) fibreuses unidirectionnelles formant un angle de 0° +/- 10° par rapport à un axe (N) normal à un plan bissecteur (B) au pied de tenon. Préforme fibreuse (1) selon la revendication 5, dans laquelle l’empilement comprend en outre des deuxièmes nappes (135b) fibreuses unidirectionnelles orientées à 0° +/- 10° par rapport à une direction radiale (DR) de la préforme fibreuse. Préforme fibreuse (1) selon la revendication 5 ou 6, dans laquelle l’empilement comprend en outre : - des troisièmes nappes (135c) fibreuses unidirectionnelles orientées à X° +/- 10° par rapport à l’axe normal (N), et - des quatrièmes nappes (135d) fibreuses unidirectionnelles orientées à – X° +/- 10° par rapport à l’axe normal (N), avec X étant compris entre 30 et 60. Préforme fibreuse (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle la portion intermédiaire (13) comprend une zone centrale (23) entourée par la zone circonférentielle périphérique (25), cette zone centrale comprenant un empilement quasi-isotropique de couches fibreuses unidirectionnelles. Préforme fibreuse (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans laquelle les première (11) et deuxième (12) portions présentent chacune un taux de fibres en Z compris entre 1,5% et 7%. Préforme fibreuse (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans laquelle les première (11) et deuxième (12) portions comprennent chacune successivement le long de l’épaisseur de la préforme une première couche fibreuse unidirectionnelle (121a) orientée à 0° +/- 10°, une deuxième couche fibreuse unidirectionnelle (121b) orientée à +60° +/- 10°, et une troisième couche fibreuse unidirectionnelle (121c) orientée à -60° +/- 10°, les orientations des couches fibreuses étant mesurées par rapport à une direction radiale (DR) de la préforme fibreuse. Disque de frein en matériau composite comprenant une préforme fibreuse (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, et une matrice présente entre les fibres de la préforme fibreuse. Procédé de fabrication d’une préforme fibreuse (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, comprenant au moins : - l’assemblage des première (11) et deuxième (12) portions fibreuses et de la portion intermédiaire (13). Procédé selon la revendication 12, dans lequel le procédé comprend en outre la formation des première (11) et deuxième (12) portions fibreuses et de la portion intermédiaire (13) par dépôt de couches (111 ; 121 ; 131) superposées par technique de placement automatique de fibres et renforcement par des fibres en Z au moins des couches formant les première et deuxième portions. Procédé selon la revendication 12 ou 13, dans lequel l’assemblage est réalisé par l’une au moins des techniques suivantes : aiguilletage, touffetage, couture. Procédé de réparation d’un disque de frein selon la revendication 11 endommagé, comprenant au moins : - la séparation des faces frottantes endommagées de la portion intermédiaire densifiée, - le positionnement de première et deuxième portions fibreuses de réparation de part et d’autre de la portion intermédiaire densifiée, et - la densification par une matrice des première et deuxième portions de réparation ainsi positionnées afin d’obtenir le disque de frein réparé.