Brevet FR3130852A1 — publié le 20230623

Conformateur pour infiltration en phase gazeuse à écoulement multidirectionnel L’invention concerne un conformateur (200) pour la consolidation ou la densification en phase gazeuse d’une préforme fibreuse (20), ledit conformateur (200) comprenant une première surface (210a) et une deuxième surface (220b) en regard l’une de l’autre délimitant un logement de conformation destiné à recevoir la préforme fibreuse (20), la première surface (210a) et la deuxième surface (220b) comprenant chacune une pluralité d’éléments de maintien (211, 221) en saillie par rapport à ladite surface (210a, 220b), les éléments de maintien (211, 221) définissant des canaux d’écoulement de gaz selon une première direction d’écoulement (D21), le conformateur (200) étant caractérisé en ce que la pluralité d’éléments de maintien (211, 221) définit également des canaux d’écoulement de gaz selon au moins une deuxième direction d’écoulement (D22, D23) sécante à la première direction d’écoulement (D21). Figure pour l’abrégé : Fig. 3 Conformateur pour infiltration en phase gazeuse à écoulement multidirectionnel La présente invention concerne la fabrication de pièces en matériau composite et, plus particulièrement, l’outillage de conformation utilisé lors de la consolidation ou de la densification par infiltration chimique en phase gazeuse d’une préforme fibreuse destinée à former au moins le renfort de la pièce en matériau composite. La consolidation ou la densification par infiltration chimique en phase gazeuse, également appelée « CVI » de l’anglais « chemical vapor infiltration », est classiquement réalisée en plaçant la préforme fibreuse à consolider ou à densifier dans un conformateur multiperforé en graphite, lui-même placé dans un four ou un réacteur où il est chauffé. Un tel conformateur multiperforé est par exemple décrit dans le document FR 3 021 671 ou dans le document FR 3 059 679. Un gaz réactif contenant un ou plusieurs précurseurs gazeux du matériau constitutif de la matrice est introduit dans le réacteur. La température et la pression dans le réacteur sont réglées pour permettre au gaz réactif de diffuser au sein des porosités de la préforme fibreuse par le biais des perforations du conformateur. Le gaz réactif peut ainsi former un dépôt du matériau constitutif de la matrice par décomposition d’un ou plusieurs constituants du gaz réactif ou réaction entre plusieurs constituants, ces constituants formant le précurseur de la matrice. En outre, par ce procédé, un matériau d’interphase peut être déposé avec la matrice. Cependant, cette technique de consolidation ou de densification entraîne dans certains cas l’apparition de gradients de dépôt de matrice dans l’épaisseur de la préforme fibreuse, ainsi que des surépaisseurs locales ou « pustules » à la surface de la préforme, en particulier aux endroits situés en regard des perforations du conformateur. Ainsi, les propriétés mécaniques de la pièce en matériau composite fabriquée selon ce procédé peuvent être localement altérées, et conduire à une non-conformité de la pièce. Il est particulièrement délicat de remédier à ces problématiques. En effet, la taille des perforations et/ou leur nombre peuvent difficilement être augmentés, car cela fragiliserait trop fortement le conformateur en graphite. En outre, le conformateur en graphite se détériore rapidement, du fait qu’il se densifie en même temps que les préformes qu’il maintient et que les perforations de passage du gaz réactif se bouchent progressivement au fil des utilisations. Ainsi, le conformateur doit subir régulièrement des reprises d’usinage, voire être remplacé après quelques cycles d’utilisation. Pour remédier en partie à ces problématiques, il est possible de remplacer les supports multiperforés par des supports non percés présentant des reliefs de circulation permettant de diriger la circulation du gaz réactif. Un tel conformateur est décrit dans le document FR 3 107 283. Toutefois, la circulation du gaz réactif reste limitée et difficile, et la cinétique de l’étape de consolidation ou de densification est peu satisfaisante. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients décrits précédemment. A cet effet, l’invention propose un conformateur pour la consolidation ou la densification en phase gazeuse d’une préforme fibreuse, ledit conformateur comprenant une première surface et une deuxième surface en regard l’une de l’autre délimitant un logement de conformation destiné à recevoir la préforme fibreuse, le logement de conformation s’étendant entre au moins une entrée de gaz et au moins une sortie de gaz positionnées entre la première surface et la deuxième surface, la première surface et la deuxième surface comprenant chacune une pluralité d’éléments de maintien en saillie par rapport à ladite surface et s’étendant jusqu’à une face d’extrémité destinée à être au contact de la préforme fibreuse, les éléments de maintien définissant des canaux d’écoulement de gaz selon une première direction d’écoulement, le conformateur étant caractérisé en ce que la pluralité d’éléments de maintien, en saillie par rapport à la première ou deuxième surface, définit également des canaux d’écoulement de gaz selon au moins une deuxième direction d’écoulement sécante à la première direction d’écoulement. Ainsi, la préforme fibreuse n’est plus au contact d’une grande surface multiperforée, mais appuyée sur une pluralité de contacts restreints, ce qui augmente grandement la surface disponible pour la circulation des gaz. La cinétique de l’étape de consolidation ou de densification est donc améliorée, car les gaz peuvent circuler facilement et plus librement entre les surfaces intérieures du conformateur et la préforme fibreuse. Ainsi, l’étape de consolidation ou de densification peut être réalisée plus rapidement et de manière plus satisfaisante. On limite par conséquent fortement les surépaisseurs locales non désirées d’une part, réduisant ainsi le nombre de pièces finales non conformes, et on simplifie l’entretien du conformateur en graphite d’autre part, qui est plus robuste et se détériore moins rapidement. En outre, l’utilisation d’éléments de maintien définissant des canaux d’écoulement dans plusieurs directions permet une plus grande liberté dans le placement des entrées et des sorties de gaz. En effet, il n’est plus nécessaire de positionner chaque entrée et chaque sortie de gaz dans une seule direction correspondant à l’unique direction d’écoulement des gaz. Ainsi, il est par exemple possible de positionner les entrées de gaz sur n’importe quel côté du conformateur compris entre la première surface et la deuxième surface, et non plus sur un seul côté situé dans l’axe d’une unique direction d’écoulement des gaz. Par « face d’extrémité », on désigne la surface de l’élément de maintien qui sera réellement au contact de la préforme fibreuse disposée dans le conformateur. Ainsi, la totalité de la face d’extrémité d’un élément de maintien doit être au contact de la préforme fibreuse lorsque celle-ci est disposée dans le conformateur. Selon une caractéristique particulière de l’invention, la somme des aires des faces d’extrémité des éléments de maintien de la première ou deuxième surface est inférieure ou égale à 50% de l’aire totale de ladite surface. De préférence, la somme des aires des faces d’extrémité des éléments de maintien de la première ou deuxième surface est inférieure ou égale à 40% de l’aire totale de ladite surface, et de préférence supérieure ou égale à 5% de l’aire totale de ladite surface. Ainsi, lorsque la préforme fibreuse est disposée dans le logement de conformation, la surface de la préforme fibreuse en contact avec le gaz réactif est très élevée, ce qui améliore la cinétique de l’opération de consolidation ou de densification. En outre, on limite encore l’apparition de surépaisseurs locales non désirées dans la préforme fibreuse tout en simplifiant l’entretien du conformateur. Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, l’aire de la face d’extrémité d’au moins un élément de maintien est comprise entre 1 mm 2 et 50 mm 2 . De préférence, l’aire de la face d’extrémité d’au moins un élément de maintien est comprise entre 2,5 mm 2 et 15 mm 2 . Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, l’aire de face d’extrémité d’au moins un élément de maintien est inférieure à 1 mm 2 . Dans ce mode de réalisation, le contact entre l’élément de maintien et la préforme fibreuse est dit ponctuel. Au moins une partie des éléments de maintien peut ainsi présenter par exemple une forme globale d’aiguille, de tige droite, de tige courbée en arc ou en « C ». On garantit ainsi une meilleur circulation des flux de gaz à proximité de la préforme fibreuse disposée dans le conformateur, en réduisant encore la surface de contact entre la préforme fibreuse et le conformateur. Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, au moins une partie des éléments de maintien a une forme tronconique. Un élément de maintien « tronconique » peut se comprendre comme un élément de maintien présentant une géométrie globale de cône tronqué. Le terme « cône » désigne un volume plein ou creux dont la surface est définie par une droite passant par un point fixe et un point variable décrivant une courbe fermée. Le terme « cône » peut donc désigner un cône quelconque, et ne désigne pas nécessairement un cône de révolution. Toutefois, de préférence, au moins une partie des éléments de maintien a une forme tronconique de révolution. Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, au moins une partie des éléments de maintien a une forme de polyèdre présentant au moins deux faces en forme de trapèze. Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, au moins une partie des éléments de maintien a une forme cylindrique. Un élément de maintien « cylindrique » peut se comprendre comme un élément de maintien présentant une géométrie globale de cylindre. Le terme « cylindre » désigne un volume plein ou creux défini par une surface réglée dont les génératrices sont parallèles. Le terme « cylindre » peut donc désigner un cylindre quelconque, et ne désigne pas nécessairement un cylindre droit ou de révolution. Toutefois, de préférence, au moins une partie des éléments de maintien a une forme cylindrique de révolution. Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, au moins une partie des éléments de maintien présente une section diminuant progressivement depuis leur jonction avec la première ou deuxième surface jusqu’à leur face d’extrémité. Une telle diminution progressive de la section des éléments de maintien permet de leur conférer une certaine robustesse, tout en obtenant une face d’extrémité la plus réduite possible. Ainsi, on peut augmenter la surface de la préforme en contact avec le gaz réactif lors de l’opération de consolidation ou de densification sans fragiliser le conformateur. Afin de simplifier la fabrication du conformateur, tous les éléments de maintien d’une même surface peuvent présenter la même forme géométrique et/ou les mêmes dimensions. Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, au moins une surface du conformateur comprend une première portion comportant des premiers éléments de maintien et une deuxième portion comportant des deuxièmes éléments de maintien, les premiers éléments de maintien présentant au moins un espacement moyen, une aire moyenne de la face d’extrémité ou une géométrie différent de l’espacement moyen, de l’aire moyenne de la face d’extrémité ou de la géométrie des deuxièmes éléments de maintien. Ainsi, le conformateur peut être adapté à une préforme présentant des portions différentes, ou à la fabrication d’une pièce comprenant des portions différentes. Par exemple, si la préforme comprend des portions présentant des raideurs différentes, on pourra adapter le nombre, l’espacement et/ou la forme des éléments de maintien en regard de ces portions. Ainsi, les portions les moins raides de la préforme, qui nécessitent un maintien important, seront suffisamment soutenues par les éléments de maintien, et les portions les plus raides de la préforme, qui ne nécessitent pas de maintien important, seront faiblement soutenues pour permettre une circulation du gaz maximisée. On assure ainsi des caractéristiques d’éléments de maintien optimales, réalisant un maintien suffisant de chaque portion de la préforme tout en assurant une surface la plus grande possible pour la circulation des gaz. De même, si la pièce en matériau composite à fabriquer comporte des portions avec plus de contraintes dimensionnelles ou surfaciques, on pourra adapter le nombre, l’espacement et/ou la forme des éléments de maintien en regard des portions correspondantes sur la préforme fibreuse. Par exemple, les portions de la préforme fibreuse correspondant à des portions très contraintes dimensionnellement de la pièce à fabriquer pourront être soutenues sur un plus grand pourcentage de leur surface par les éléments de maintien, en augmentant le nombre d’éléments ou l’aire moyenne des faces d’extrémité. L’invention propose également un chargement destiné à être placé dans une installation de consolidation ou de densification par infiltration chimique en phase gazeuse, ledit chargement comprenant une préforme fibreuse maintenue dans un conformateur selon l’invention, de sorte que la préforme soit maintenue par les faces d’extrémité des éléments de maintien. Selon une caractéristique particulière de l’invention, la préforme fibreuse est une préforme de pièce de moteur aéronautique. Selon une caractéristique particulière de l’invention, l’entrée de gaz du logement de conformation est située entre la première surface dudit logement et la préforme fibreuse présente dans ledit logement, et la sortie de gaz du logement est située entre la deuxième surface dudit logement et la préforme fibreuse présente dans ledit logement. L’invention concerne également un procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite comprenant : - le placement d’une préforme fibreuse poreuse dans un conformateur selon l’invention, de sorte que la préforme soit maintenue par les faces d’extrémité des éléments de maintien, - la consolidation de la préforme fibreuse poreuse par infiltration chimique en phase gazeuse d’une matrice, et - la densification de la préforme consolidée. L’invention concerne également un procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite comprenant : - le placement d’une préforme, éventuellement pré-consolidée ou consolidée, dans un conformateur selon l’invention, de sorte que la préforme fibreuse disposée dans le logement de conformation soit maintenue par les faces d’extrémité des éléments de maintien, et - la densification de la préforme fibreuse par infiltration chimique en phase gazeuse. La est une vue schématique éclatée illustrant un chargement comprenant un conformateur conformément à un mode de réalisation de l’invention. La est une vue en coupe du chargement de la . La est une vue schématique éclatée illustrant un chargement comprenant un conformateur conformément à un autre mode de réalisation de l’invention. La est une vue en coupe du chargement de la . La est une vue schématique d’une installation de densification par infiltration en phase gazeuse comprenant le chargement des figures 1 et 2 selon un premier mode de réalisation de l’invention. La est une vue schématique d’une installation de densification par infiltration en phase gazeuse comprenant le chargement des figures 1 et 2 selon un deuxième mode de réalisation de l’invention. Conformateur (100, 200) pour la consolidation ou la densification en phase gazeuse d’une préforme fibreuse (10, 20), ledit conformateur (100, 200) comprenant une première surface (110a, 210a) et une deuxième surface (120b, 220b) en regard l’une de l’autre délimitant un logement de conformation destiné à recevoir la préforme fibreuse (10, 20), le logement de conformation s’étendant entre au moins une entrée de gaz (101, 201) et au moins une sortie de gaz (102, 202) positionnées entre la première surface (110a, 210a) et la deuxième surface (120b, 220b), la première surface (110a, 210a) et la deuxième surface (120b, 220b) comprenant chacune une pluralité d’éléments de maintien (111, 121, 122, 211, 221) en saillie par rapport à ladite surface (110a, 210a, 120b, 220b) et s’étendant jusqu’à une face d’extrémité (111a, 121b, 122b, 211a, 221b) destinée à être au contact de la préforme fibreuse (10, 20), les éléments de maintien (111, 121, 122, 211, 221) définissant des canaux d’écoulement de gaz selon une première direction d’écoulement (D11, D21), le conformateur (100, 200) étant caractérisé en ce que la pluralité d’éléments de maintien (111, 121, 122, 211, 221) définit également des canaux d’écoulement de gaz selon au moins une deuxième direction d’écoulement (D12, D13, D22, D23) sécante à la première direction d’écoulement (D11, D21). Conformateur (100, 200) selon la revendication 1, dans lequel la somme des aires des faces d’extrémité (111a, 121b, 122b, 211a, 221b) des éléments de maintien (111, 121, 122, 211, 221) de la première ou deuxième surface (110a, 210a, 120b, 220b) est inférieure ou égale à 50% de l’aire totale de ladite surface (110a, 210a, 120b, 220b). Conformateur (100, 200) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l’aire de la face d’extrémité (111a, 121b, 211a, 221b) d’au moins un élément de maintien (111, 121, 211, 221) est comprise entre 1 mm 2 et 50 mm 2 . Conformateur selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l’aire de la face d’extrémité d’au moins un élément de maintien est inférieure à 1 mm 2 . Conformateur (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel au moins une partie des éléments de maintien (111, 121) a une forme tronconique. Conformateur (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel au moins une partie des éléments de maintien (122) a une forme de polyèdre présentant au moins deux faces en forme de trapèze. Conformateur (200) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel au moins une partie des éléments de maintien (211, 221) a une forme cylindrique. Conformateur (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel au moins une partie des éléments de maintien (111, 121, 122) présente une section diminuant progressivement depuis leur jonction avec la première ou deuxième surface jusqu’à leur face d’extrémité (111a, 121b, 122b). Conformateur (100, 200) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel au moins une surface (110a, 210a, 120b, 220b) du conformateur comprend une première portion comportant des premiers éléments de maintien (111, 121, 211, 221) et une deuxième portion comportant des deuxièmes éléments de maintien (122, 211, 221), les premiers éléments de maintien (111, 121, 211, 221) présentant au moins un espacement moyen, une aire moyenne de la face d’extrémité (111a, 121b) ou une géométrie différent de l’espacement moyen, de l’aire moyenne de la face d’extrémité (122b) ou de la géométrie des deuxièmes éléments de maintien (122, 211, 221). Chargement (1, 2) destiné à être placé dans une installation de consolidation ou de densification par infiltration chimique en phase gazeuse (500, 600), ledit chargement (1, 2) comprenant une préforme fibreuse (10, 20) maintenue dans un conformateur (100, 200) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, de sorte que la préforme (10, 20) soit maintenue par les faces d’extrémité (111a, 121b, 122b, 211a, 221b) des éléments de maintien (111, 121, 122, 211, 221). Chargement (1, 2) selon la revendication 10, dans lequel la préforme fibreuse (10, 20) est une préforme de pièce de moteur aéronautique. Procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite comprenant : - le placement d’une préforme fibreuse poreuse (10, 20) dans un conformateur (100, 200) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, de sorte que la préforme (10, 20) soit maintenue par les faces d’extrémité (111a, 121b, 122b, 211a, 221b) des éléments de maintien (111, 121, 122, 211, 221), - la consolidation de la préforme fibreuse poreuse (10, 20) par infiltration chimique en phase gazeuse d’une matrice, et - la densification de la préforme consolidée.