Brevet FR3130191A1 — publié le 20230616

Procédé de fabrication d’une pièce, en particulier une pièce en matériau composite Procédé de fabrication d'une pièce (10), en particulier une pièce en matériau composite (10), notamment pour une turbomachine, comprenant au moins : - une étape de fabrication d’une préforme, au cours de laquelle une préforme fibreuse (20) destinée à former une peau externe (13) de la pièce est fabriquée, - une étape de fabrication d’un noyau, au cours de laquelle un noyau rigide (30), notamment un noyau rigide creux (30), destiné à former une ossature de la pièce, est fabriqué, - une étape d’insertion, au cours de laquelle le noyau rigide (30) est inséré dans la préforme fibreuse (20), - une étape d’injection, au cours de laquelle une matrice est injectée dans la préforme fibreuse (20), et - une étape de traitement thermique, au cours de laquelle une polymérisation de la matrice est réalisée Figure pour l’abrégé : Fig. 3. Procédé de fabrication d’une pièce, en particulier une pièce en matériau composite L'invention concerne la fabrication de pièces en matériau composite. Plus précisément, l’invention se rapporte à un procédé de fabrication d’une pièce, en particulier une pièce en matériau composite, notamment d’aube de turbomachine aéronautique. Les pièces en matériau composite sont couramment utilisées dans les moteurs aéronautiques, tels que des turbomachines d’avions, afin de réduire leur masse, tout en garantissant l’obtention de propriétés mécaniques désirées, en particulier, leurs raideurs. De tels matériaux composites peuvent présenter une structure dite en « sandwich », dans laquelle une couche, dite « âme » ou noyau en nid-d’abeilles, également désigné par l’abréviation « NIDA », et/ou en mousse est (sont) interposée(s) entre deux couches monolithiques de composite à fibres de carbone et/ou verre et/ou kevlar. Une telle structure permet d’augmenter la raideur en flexion de la pièce et de maitriser en parallèle sa masse, via l’introduction d’une matière à faible densité à cœur, où les contraintes mécaniques sont faibles. Cependant, ce type de structure est susceptible de causer des problèmes opératoires de fabrication, de générer des délaminages dans leur peau, dans le cas de plis unidirectionnels, ou bien de présenter une mauvaise adhésion au niveau de l’interface entre la peau composite et le NIDA et/ou la mousse, limitant les contraintes maximales d’utilisation et leur tenue à l’impact. La résistance au délaminage doit être d’autant plus important pour une application sur des pièces structurantes de plus grandes dimensions, telles que des aubes directrices de sortie, désignées également par l’acronyme OGV pour « Outlet Guide Vane » en anglais, destinées à transmettre des efforts entre un générateur de gaz et une nacelle de la turbomachine, et à redresser le flux d’air secondaire de la turbomachine. Pour pallier un tel inconvénient, une solution pour ce type de pièce consiste en l’utilisation d’un renfort fibreux réalisé à partir d’un tissage tridimensionnel dans lequel les fils s’entrelacent de manière tridimensionnelle, également désigné par le terme de tissage dit « interlock 3D », et qui est imprégné dans une matrice. Cette dernière est injectée par voie liquide, par exemple selon le procédé de moulage par transfert de résine sous vide, désigné également par l’acronyme VARTM pour « Vacuum Assisted Resin Transfer Molding », en anglais. Une mousse interne à faible densité, formant le noyau, est ensuite insérée dans le renfort fibreux. Cette solution permet de coupler la capacité du tissage tridimensionnel à empêcher la progression d’un délaminage et l’augmentation de la raideur en flexion. Bien qu’apportant satisfaction dans certains cas, une telle solution peut présenter différents inconvénients. En particulier, dans le cas de l’utilisation d’une mousse à faible densité, le noyau risque de s’endommager pendant son insertion à l’intérieur de la préforme fibreuse. Par ailleurs, certaines géométries imposent des dimensions précises, notamment de l’ordre du millimètre, en épaisseur et/ou en rayon, constituant des points faibles pour la mousse. De plus, des risques de casse et/ou d’effritement de la mousse sont susceptibles de se produire lors de la fabrication de la pièce. Enfin, dans le cas de l’utilisation de nids d’abeille, la résine utilisée pour imprégner la préforme fibreuse est susceptible de combler les cellules du nid d’abeille, et de réduire ainsi fortement le gain en masse de la pièce finale. L’invention a notamment pour but de fournir une solution permettant de surmonter toute ou partie des inconvénients précités. Ce but est atteint grâce à un procédé de fabrication d'une pièce, en particulier une pièce en matériau composite, notamment pour une turbomachine, comprenant au moins : - une étape de fabrication d’une préforme, au cours de laquelle une préforme fibreuse destinée à former une peau externe de la pièce est fabriquée, - une étape de fabrication d’un noyau, au cours de laquelle un noyau rigide, notamment un noyau rigide creux, destiné à former une ossature de la pièce, est fabriqué, - une étape d’insertion, au cours de laquelle le noyau rigide est inséré dans la préforme fibreuse, - une étape d’injection, au cours de laquelle une matrice est injectée dans la préforme fibreuse, et - une étape de traitement thermique, au cours de laquelle une polymérisation de la matrice est réalisée. On comprend que le noyau rigide définit une ossature et constitue un élément structurant de la pièce en matériau composite. Le noyau rigide forme ainsi le squelette interne de la pièce, permettant de porter une peau externe de celle-ci. Selon des exemples d’application, la peau externe est susceptible d’être notamment en contact avec un flux d’air s’écoulant dans une veine d’air, lorsque la pièce est une aube de turbomachine. En d’autres termes, le noyau rigide ne sert pas uniquement à maintenir en forme la préforme fibreuse sèche au cours d’une imprégnation, mais contribue ultérieurement, après la fabrication de la pièce et au cours d’une utilisation de cette dernière, de structure interne. Ainsi, contrairement à l’utilisation de noyaux internes servant à maintenir en forme la préforme fibreuse au cours d’une étape de consolidation et étant destinés à être éliminés à l’issue de celle-ci, le noyau rigide selon l’invention exposée subsiste et sert d’ossature à la pièce finale, permettant, en particulier, d’améliorer la rigidité de celle-ci. Le noyau rigide étant préférentiellement creux, il permet, en outre, d’améliorer le gain de masse de la pièce, tout en permettant, compte tenu de sa rigidité, de résister aux différentes contraintes d’utilisation ou de fabrication de la pièce, notamment lors d’une injection d’une matrice dans la préforme fibreuse, telles qu’une pression d’injection de la matrice, une pression de fermeture d’un moule liée au compactage de la préforme et/ou un traitement thermique permettant une polymérisation de la matrice. Le procédé de fabrication selon l’invention exposée permet ainsi d’obtenir une pièce, à la fois, plus légère, compte tenu de l’absence d’une structure interne telle qu’un nid d’abeille ou une mousse, et ayant la rigidité nécessaire lui permettant de résister aux différentes sollicitations d’utilisation de la pièce. Dans certains modes de réalisation, le noyau rigide est fabriqué de telle sorte à présenter une forme équivalente à la pièce en matériau composite destinée à être fabriquée. On comprend par « présentant une forme équivalente à la pièce destinée à être fabriquée » que le noyau est d’une forme identique à la pièce finale, diminuée d’une épaisseur correspondant à la préforme fibreuse enveloppant le noyau rigide après l’étape d’insertion de celui-ci dans la préforme fibreuse. Par exemple, lorsque la pièce est une aube directrice de turbomachine, le noyau rigide présente, de la même façon que l’aube directrice de turbomachine destinée à être fabriquée, un bord d’attaque, un bord de fuite, un intrados et un extrados, et présente également le même profil aérodynamique que l’aube directrice de turbomachine. En d’autres termes, la forme du noyau rigide est équivalente à la pièce destinée à être fabriquée, mais ses dimensions sont sensiblement inférieures à celle de la pièce destinée à être fabriquée, de telle sorte que lorsque la préforme fibreuse enveloppe le noyau après insertion dans la préforme fibreuse, les dimensions de la pièce finale puissent être atteintes. Ainsi, le fait de fabriquer un noyau rigide présentant une forme équivalente à la pièce destinée à être fabriquée permet, suite à l’étape d’insertion du noyau dans la préforme fibreuse, de mettre en forme cette dernière avant l’injection de la matrice, sans nécessiter de pièces additionnelles pour effectuer une telle mise en forme. Il est ainsi possible d’améliorer l’efficacité du procédé de fabrication de la pièce en matériau composite. Dans certains modes de réalisation, le noyau rigide est une coque comprenant au moins une paroi latérale renfermant une cavité. En d’autres termes, le noyau rigide comprend une enveloppe externe formant la coque rigide renfermant une cavité. La coque rigide est, de préférence, close et étanche. On comprendra que le noyau rigide est creux en ce que la cavité est dépourvu de tout élément interne, à l’exception des éventuels raidisseurs, contrairement à une structure de type mousse ou de type nid d’abeille, renfermant les parois formant les cellules internes. Dans certains modes de réalisation, le noyau rigide comprend un matériau thermoplastique et/ou thermodurcissable. Ces matériaux permettent d’améliorer la rigidité du noyau. Dans certains modes de réalisation, le noyau rigide comprend un matériau dont la température de fléchissement sous charge et la température de transition vitreuse sont supérieures à une température de polymérisation de la matrice utilisée lors de l’étape d’injection. Ainsi, même lors du traitement thermique permettant la polymérisation de la matrice, le noyau rigide, notamment la paroi latérale de ce dernier, conserve des propriétés mécaniques lui permettant de résister aux différentes contraintes mentionnées précédemment, liées notamment au compactage et au traitement thermique. On notera que : - la température de fléchissement sous charge est la température à partir de laquelle, pour une charge donnée, une pièce soumise à une flexion se déforme, et - la température de transition vitreuse est la température à partir de laquelle une pièce passe d’un état solide (vitreux) et rigide à un état caoutchouteux. Dans certains modes de réalisation, le noyau rigide comprend au moins l’un des matériaux parmi un polyaryléthercétone, un polyétherimide et/ou un polyamide semi-aromatique. Dans certains modes de réalisation, le noyau rigide peut comprendre un matériau chargé en fibres, notamment en fibres de carbone et/ou de verre. Les matériaux précédemment mentionnés peuvent notamment être chargés en fibres, de carbone et/ou de verre, des fibres courtes et/ou longues, en nano matériaux. Dans certains modes de réalisation, le noyau rigide comprend au moins un raidisseur. Le raidisseur peut être une paroi s’étendant à l’intérieur de la cavité formée par la paroi latérale du noyau, d’une extrémité à l’autre de cette cavité. Le raidisseur permet d’améliorer la rigidité du noyau, et d’améliorer ainsi sa résistance aux différentes contraintes précitées. Afin d’améliorer davantage sa rigidité, le noyau peut comprendre une pluralité de raidisseurs s’étendant transversalement et/ou longitudinalement d’une extrémité à l’autre de la cavité du noyau. De préférence, le ou les raidisseur(s) sont en un même matériau que la paroi latérale du noyau. Dans certains modes de réalisation, le noyau rigide est formé en une seule opération, notamment par fabrication additive. Il est ainsi possible de fabriquer le noyau, et éventuellement le ou les raidisseur(s), de manière monobloc. Cela permet d’obtenir en une seule opération une pièce creuse et étanche. En effet, dans ce cas de figure, la coque formant le noyau est fermée et ne contient aucune soudure ou fixation. Cela permet de limiter voire supprimer les risques d’infiltration de la matrice, par exemple de la résine, dans la cavité du noyau lors de l’injection de la matrice dans la préforme fibreuse. Dans certains modes de réalisation, le noyau rigide est formé dans un moule et comprend au moins deux parties assemblées et fixées entre elles, notamment par fusion, par soudage ou collage. Le noyau rigide peut, par exemple, comprendre deux demi coquilles fabriquées chacune par injection dans un moule, puis assemblées l’une avec l’autre pour former une coque fermée. L’assemblage et la fixation des deux demi-coquilles entre elles peuvent être réalisés par fusion des bords de chacune d’elles, de manière à obtenir une coque étanche. Dans certains modes de réalisation, le procédé de fabrication comprend, après la fabrication du noyau rigide, une étape de traitement de surface au cours de laquelle un traitement de surface du noyau rigide est réalisé, notamment comprenant une application d’un adhésif sur une surface externe du noyau rigide. L’adhésif est de préférence compatible avec la résine utilisée lors de l’étape d’injection. Cela permet d’améliorer l’adhérence de la surface externe de la paroi latérale du noyau avec la peau externe, c’est-à-dire avec la préforme fibreuse en composite tissé tridimensionnel. De manière alternative au traitement de surface, le noyau peut être fabriqué dans un moule présentant une rugosité importante, c’est-à-dire présentant une rugosité supérieure à 0,5 µm, idéalement supérieure à 0,9 µm. Dans le cas d’un noyau rigide réalisé en une seule opération par fabrication additive, des ondulations de surface inhérentes au procédé lui-même définissent un relief de surface contribuant à améliorer l’adhérence de la surface externe du noyau avec la peau externe. Dans certains modes de réalisation, la préforme fibreuse est formée par une texture fibreuse réalisée en une seule pièce par tissage tridimensionnel ou multicouche ou à partir d'une pluralité de strates fibreuses bidimensionnelles. Dans certains modes de réalisation, la texture fibreuse est réalisée à partir de fibres de verre, de carbone et/ou de céramique. Dans certains modes de réalisation, la matrice utilisée lors de l’injection est une résine thermodurcissable à base d’époxy ou une résine phénolique, telle que les polybismaléimides. De manière alternative, la matrice peut être une résine thermoplastique, telle qu’un polyaryléthercétone, un polyétherimide et/ou un polyamide semi-aromatique. Dans certains modes de réalisation, le procédé de fabrication comprend une étape de finition au cours de laquelle la pièce est ajustée aux cotes souhaitées. Dans certains modes de réalisation, l’étape d’insertion comprend une insertion d’un longeron dans le noyau rigide, permettant d’avoir plus de rigidité à la flexion dans la partie basse de la pièce à fabriquer. Dans certains modes de réalisation, la pièce à fabriquer est une aube de turbomachine, notamment une aube directrice de sortie. Dans certains modes de réalisation, la pièce à fabriquer est une hélice d’aéronef, notamment une hélice d’un turbopropulseur ou d’un moteur non caréné. L’invention exposée concerne également une pièce en matériau composite obtenu par un procédé de fabrication selon l’un quelconque des modes de réalisation précédents. L’invention exposée concerne également une turbomachine comprenant une pièce en matériau composite selon l’invention exposée. L’invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée faite ci-après de différents modes de réalisation de l’invention donnés à titre d’exemples non limitatifs. Cette description fait référence aux pages de figures annexées, sur lesquelles : La est une vue schématique en coupe d’une turbomachine aéronautique, La est une vue en perspective de deux aubes directrices de sorties isolées de la turbomachine de la , selon un premier mode de réalisation de l’invention, La est une vue en coupe, selon le plan de coupe B-B, d’une aube directrice de sortie de la , La est une vue en perspective d’un noyau rigide creux selon le premier mode de réalisation, La est une vue en coupe longitudinale du noyau rigide creux de la , La est une vue schématique en perspective montrant une préforme fibreuse avant mise en forme, La est une vue schématique en perspective représentant l’insertion du noyau rigide creux de la dans la préforme fibreuse de la , La est une vue en coupe, selon un plan de coupe radial, d’une hélice selon un deuxième mode de réalisation de l’invention, La est une vue schématique représentant la préforme fibreuse enrobée de mousse carbone, après le traitement thermique, et La est un ordinogramme des étapes d’un procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite conformément à l’invention. Procédé de fabrication d'une pièce (10, 10’), en particulier une pièce en matériau composite (10, 10’), notamment pour une turbomachine, comprenant au moins : - une étape de fabrication d’une préforme (S1), au cours de laquelle une préforme fibreuse (20) destinée à former une peau externe (13, 13’) de la pièce est fabriquée, - une étape de fabrication d’un noyau (S2), au cours de laquelle un noyau rigide (30, 30’), notamment un noyau rigide creux (30, 30’), destiné à former une ossature de la pièce, est fabriqué, - une étape d’insertion (S4), au cours de laquelle le noyau rigide (30, 30’) est inséré dans la préforme fibreuse (20), - une étape d’injection (S5), au cours de laquelle une matrice est injectée dans la préforme fibreuse (20), et - une étape de traitement thermique (S6), au cours de laquelle une polymérisation de la matrice est réalisée. Procédé de fabrication d'une pièce (10, 10’) selon la revendication 1, dans lequel le noyau rigide (30, 30’) est fabriqué de telle sorte à présenter une forme équivalente à la pièce en matériau composite (10, 10’) destinée à être fabriquée. Procédé de fabrication d'une pièce (10, 10’) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le noyau rigide (30, 30’) est une coque comprenant au moins une paroi latérale (31, 31’) renfermant une cavité (J). Procédé de fabrication d'une pièce (10, 10’) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le noyau rigide (30, 30’) comprend un matériau thermoplastique et/ou thermodurcissable. Procédé de fabrication d'une pièce (10, 10’) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le noyau rigide (30, 30’) comprend un matériau dont la température de fléchissement sous charge (TFC) et la température de transition vitreuse (Tg) sont supérieures à une température de polymérisation de la matrice utilisée lors de l’étape d’injection (S5). Procédé de fabrication d'une pièce (10, 10’) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le noyau rigide (30, 30’) comprend au moins l’un des matériaux parmi un polyaryléthercétone, un polyétherimide et/ou, un polyamide semi-aromatique. Procédé de fabrication d'une pièce (10, 10’) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le noyau rigide (30, 30’) comprend au moins un raidisseur (35, 35a, 35a’, 35b, 35b’). Procédé de fabrication d'une pièce (10, 10’) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le noyau rigide (30, 30’) est formé : - en une seule opération, notamment par fabrication additive, ou - dans un moule et comprend au moins deux parties assemblées et fixées entre elles, notamment par fusion, par soudage ou par collage. Procédé de fabrication d'une pièce (10, 10’) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant, après l’étape de fabrication d’un noyau (S2), une étape de traitement de surface (S3), au cours de laquelle un traitement de surface du noyau rigide (30, 30’) est réalisé, notamment comprenant une application d’un adhésif sur une surface externe du noyau rigide (30, 30’). Procédé de fabrication d'une pièce (10, 10’) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant une étape de finition (S7), au cours de laquelle la pièce (10, 10’) est ajustée aux cotes souhaitées. Procédé de fabrication d'une pièce (10, 10’) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’étape d’insertion (S4) comprend une insertion d’un longeron (42) dans le noyau rigide (30’). Procédé de fabrication d'une pièce (10, 10’) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la pièce à fabriquer (10, 10’) est une aube (10) de turbomachine, notamment une aube directrice de sortie (10) ou une hélice (10’) d’aéronef, notamment une hélice (10’) d’un turbopropulseur ou d’un moteur non caréné. Pièce en matériau composite (10, 10’) obtenue par un procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications précédentes. Turbomachine (1) comprenant une pièce (10, 10’) en matériau composite (10, 10’) selon la revendication 13.