Brevet FR3134846A1 — publié le 20231027

Aube ou pale à tissage continu entre le pied et le profil aérodynamique L’invention concerne un procédé de fabrication d’une aube ou d’une pale d’hélice en matériau composite comprenant : - la réalisation par tissage tridimensionnel d’une ébauche de peau (100) comprenant une partie de pied (112) et une partie de profil aérodynamique (111), - la réalisation par tissage d’au moins une ébauche de comblement (200) comprenant une partie de comblement de pied (212) et une partie de comblement de profil aérodynamique (211), - la mise en forme de l’ébauche de peau (100) par l’insertion d’au moins une ébauche de comblement (200) dans le logement interne (140) de la partie de profil aérodynamique (111) de la première ébauche (100) de manière à obtenir une préforme fibreuse de l’aube ou de la pale d’hélice, - la densification de la préforme par une matrice pour obtenir une aube ou une pale d’hélice en matériau composite. Figure pour l’abrégé : Fig. 5 Aube ou pale à tissage continu entre le pied et le profil aérodynamique La présente invention se rapporte au domaine des aubes ou pales d’hélice pour aéronefs telles que celles présentes sur les turbopropulseurs. Les aubes ou pales d’hélice pour turbopropulseurs sont généralement réalisées en matériau métallique. Si les aubes ou pales d’hélice en matériau métallique ont une bonne résistance mécanique, elles présentent toutefois l'inconvénient d'avoir une masse relativement importante. Afin d'obtenir des aubes ou pales d’hélice plus légères, il est connu de réaliser des aubes ou des pales d’hélice en matériau composite, c'est-à-dire en réalisant des pièces de structure à renfort fibreux densifié par une matrice. Les documents US 2013/272893 et US 2013/017093 décrivent la réalisation d’une aube ou d’une pale d’hélice à partir d’une structure fibreuse à profil aérodynamique à l’intérieur de laquelle est introduit un longeron, une extrémité du longeron étant située à l’extérieur de ladite structure fibreuse à profil aérodynamique et destinée à former le pied de la pale d’hélice. La nouvelle génération de moteurs nécessite des pieds d’aube ou de pale plus compacts. Ce besoin vient de la nécessité de pouvoir faire pivoter l’aube ou la pale autour de son axe vertical afin d’adapter son incidence au régime de vol. Ce besoin, combiné au fait que l’aube ou la pale doit être intégrée le plus bas possible sur le disque, impose de réduire fortement l’encombrement du pied. A cet effet, les pieds des aubes ou pales de nouvelle génération présentent une forme axisymétrique ou sensiblement axisymétrique ainsi que des dimensions réduites contrairement aux pieds de l’art antérieur comme ceux décrits dans les documents US 2013/272893 et US 2013/017093 qui s’étendent sur toute la largeur de la partie inférieure de l’aube ou de la pale. Cette forme axisymétrique ou quasi-axisymétrique est plus difficile à fabriquer en matériau composite, en particulier lorsque le tissage tridimensionnel est utilisé pour former le renfort fibreux de l’aube ou de la pale. Par ailleurs, les chargements mécaniques auxquels sont soumis les pieds de nouvelle génération imposent des contraintes supplémentaires. En effet, en outre des chargements mécaniques en traction et en flexion habituellement rencontrés, pouvant être causés respectivement par les efforts centrifuges et les impacts avec des objets, les pieds de nouvelle génération peuvent être intégrés dans le disque du rotor à l’aide de coquilles métalliques, ce qui entraîne un chargement mécanique supplémentaire en compression circonférentielle. Il est donc souhaitable de pouvoir proposer une solution pour la réalisation d’aubes ou pales d’hélice d’aéronef en matériau composite aptes à résister aux différents chargements mécaniques, en particulier au niveau du pied aux dimensions réduites. A cet effet, la présente invention propose un procédé de fabrication d’une aube ou pale d’hélice en matériau composite comprenant un renfort fibreux densifié par une matrice, le procédé comprenant : - la réalisation par tissage tridimensionnel d’une première ébauche fibreuse de peau en une seule pièce, la première ébauche fibreuse présentant une forme plate s’étendant suivant une direction longitudinale et une direction transversale correspondant respectivement à la direction d’envergure et à la direction de corde de l’aube ou la pale d’hélice à fabriquer, la première ébauche fibreuse comprenant une partie de profil aérodynamique destinée à former au moins une partie du renfort fibreux du profil aérodynamique de l’aube ou de la pale d’hélice, ladite partie de profil aérodynamique comprenant deux peaux délimitant entre elles un logement interne, - la réalisation par tissage, de préférence par tissage tridimensionnel, d’au moins une deuxième ébauche fibreuse de comblement, la deuxième ébauche fibreuse comprenant une partie de comblement de pied et une partie de comblement de profil aérodynamique destinées respectivement à former au moins une partie du renfort fibreux du pied et du renfort fibreux du profil aérodynamique de l’aube ou de la pale d’hélice, - la mise en forme de la première ébauche fibreuse de peau par l’insertion d’au moins une deuxième ébauche fibreuse de comblement dans le logement interne de la partie de profil aérodynamique de la première ébauche fibreuse de manière à obtenir une préforme fibreuse de l’aube ou de la pale d’hélice, ladite préforme fibreuse comprenant une préforme de profil aérodynamique formée par la partie de profil aérodynamique de la première ébauche de peau et par la partie de comblement de profil aérodynamique d’au moins une deuxième ébauche de comblement, et une préforme de pied comprenant la partie de comblement de pied d’au moins une deuxième ébauche fibreuse de comblement, et - la densification de la préforme fibreuse par une matrice pour obtenir une aube ou une pale d’hélice en matériau composite ayant un renfort fibreux constitué par la préforme fibreuse et densifié par la matrice, et formant une seule pièce avec pied intégré, caractérisé en ce que la première ébauche fibreuse de peau comprend en outre une partie de pied destinée à former au moins une partie du renfort fibreux du profil aérodynamique de l’aube ou de la pale d’hélice, ladite partie de pied de la première ébauche comprenant au moins deux portions s’étendant suivant dans la direction longitudinale dans le prolongement des deux peaux de la partie de profil aérodynamique de ladite première ébauche, de sorte que la préforme de pied de la préforme fibreuse soit formée par l’insertion de la partie de comblement de pied d’au moins une deuxième ébauche fibreuse de comblement entre les deux portions de la partie de pied de la première ébauche fibreuse de peau. Ainsi, on obtient une aube ou une pale d’hélice comprenant d’une part un renfort fibreux de peau présentant un tissage tridimensionnel continu entre le pied et le profil aérodynamique et d’autre part un renfort fibreux de cœur présentant un tissage continu entre le pied et le profil aérodynamique. Il y a ainsi une continuité de fibres sur toute la longueur de l’aube ou de la pale. Ainsi, la jonction entre le pied et le profil aérodynamique de l’aube ou de la pale ne présente pas d’interface mécaniquement fragile. Les efforts de traction, de flexion ou de compression circonférentielle qui s’exercent sur les différentes parties de l’aube ou la pale sont donc moins susceptibles de générer des ruptures ou de propager des délaminages, en se répartissant sur l’ensemble de l’aube ou de la pale. On considère qu’une ébauche fibreuse réalisée par tissage tridimensionnel peut comprendre de manière bien connue du tissage bidimensionnel à sa surface, afin d’améliorer son état de surface. Selon une caractéristique particulière de l’invention, la première ébauche fibreuse est réalisée par tissage tridimensionnel présentant une armure interlock. Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, la ou les deuxièmes ébauches fibreuses sont réalisées par tissage tridimensionnel présentant une armure interlock. L’utilisation d’un tissage tridimensionnel à armure interlock permet de réduire encore le risque de délaminage au sein de l’aube ou de l’hélice. On considère qu’une ébauche fibreuse réalisée par tissage tridimensionnel présentant une armure interlock peut comprendre une autre armure de tissage à sa surface, par exemple bidimensionnelle ou multi-satin, afin d’améliorer son état de surface. Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, la mise en forme de la première ébauche fibreuse est réalisée par l’insertion d’une pluralité de deuxièmes préformes fibreuses dans le logement interne de la partie de profil aérodynamique de la première ébauche fibreuse. L’utilisation de plusieurs deuxièmes préformes fibreuses stratifiées permet d’atteindre des épaisseurs plus importantes sans nécessiter une augmentation du nombre de couches tissées ou une baisse du taux volumique de fibres. Le nombre de bobines et le nombre de lisses nécessaires au tissage des préformes sont donc plus faibles, permettant l’utilisation de métiers à tisser de taille réduite avec un encombrement du cantre plus faible. Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, la mise en forme de la première ébauche fibreuse est réalisée par l’insertion d’une unique deuxième préforme fibreuse réalisée en une seule pièce par tissage tridimensionnel. L’utilisation d’une unique préforme fibreuse de comblement réalisée par tissage tridimensionnel permet de réduire le risque de délaminage au cœur de l’aube ou de la pale d’hélice, et simplifie le procédé. Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, la mise en forme de la première ébauche fibreuse comprend l’introduction dans le logement interne de la partie de profil aérodynamique de ladite première ébauche fibreuse d’au moins un élément d’insertion présentant une masse volumique inférieure à la masse volumique de la première et de la ou les deuxièmes ébauches densifiées par une matrice. Ainsi, la masse globale de l’aube ou de la pale d’hélice est allégée sans réduction notable des capacités mécaniques. En effet, le ou les éléments d’insertion permettent de créer des zones creuses ou légères à l’intérieur de l’aube ou de la pale dans les parties de ladite aube ou de ladite pale qui sont peu sollicitées mécaniquement. En outre, l’invention concerne une aube ou une pale d’hélice en matériau composite comprenant un renfort fibreux densifié par une matrice, l’aube ou la pale d’hélice comportant suivant une direction longitudinale un pied et un profil aérodynamique, et s’étendant suivant une direction transversale entre un bord d’attaque et un bord de fuite, l’aube ou la pale d’hélice comprenant : - un longeron constitué d’un renfort fibreux obtenu par tissage tridimensionnel et densifié par une matrice, ledit longeron comprenant une partie de comblement de pied appartenant au pied de l’aube ou de la pale d’hélice et une partie de comblement de profil aérodynamique appartenant au profil aérodynamique de l’aube ou de la pale d’hélice, et - une peau obtenue par tissage tridimensionnel d’un renfort fibreux en une seule pièce densifié par une matrice recouvrant la partie de comblement de profil aérodynamique du longeron, caractérisée en ce que le renfort fibreux de la peau comprend en outre au moins deux portions disposées de part et d’autre de la partie de comblement de pied du longeron. Selon une caractéristique particulière de l’invention, les renforts fibreux du longeron et de la peau présentent une armure de tissage interlock. Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, le renfort fibreux du longeron est formé par un empilement d’une pluralité de couches de tissus réalisés par tissage tridimensionnel, la direction d’empilement étant perpendiculaire aux directions transversale et longitudinale de l’aube ou de la pale d’hélice. Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, l’aube ou la pale d’hélice comprend en outre au moins un élément d’insertion disposé entre la peau et la partie de comblement de profil aérodynamique du longeron et présentant une masse volumique inférieure à la masse volumique de la peau et du longeron. La est une vue schématique illustrant le tissage 3D d’une première ébauche fibreuse de peau pour la fabrication d’une aube. La est une vue schématique illustrant un premier mode de tissage de l’ébauche fibreuse de la selon un plan de coupe II-II. La est une vue schématique illustrant un deuxième mode de tissage de l’ébauche fibreuse de la selon un plan de coupe III-III. La est une vue schématique illustrant la première ébauche fibreuse de peau obtenue à partir de l’installation de la . La est une vue schématique illustrant la mise en forme de la première ébauche fibreuse de peau de la par insertion d’une unique deuxième ébauche fibreuse de comblement. La est une vue schématique illustrant la mise en forme de la première ébauche fibreuse de peau de la par insertion d’une pluralité de deuxièmes ébauches fibreuses de comblement. La est une vue schématique en coupe de la préforme fibreuse obtenue par l’insertion illustrée sur la . La est une vue schématique illustrant la mise en forme de la première ébauche fibreuse de peau de la par insertion d’une unique deuxième ébauche fibreuse de comblement et d’éléments de maintien. La est une vue schématique en coupe de la préforme fibreuse obtenue par l’insertion illustrée sur la . La est une vue schématique en perspective éclatée montrant un outillage d’injection et le placement de la préforme fibreuse de la à l’intérieur de celui-ci conformément à un mode de réalisation de l’invention. La est une vue schématique en perspective montrant l’outillage d’injection de la fermé. La est une vue schématique en coupe montrant un outillage d’injection à membrane flexible et le placement de la préforme fibreuse de la à l’intérieur de celui-ci conformément à un mode de réalisation de l’invention. Procédé de fabrication d’une aube ou pale d’hélice en matériau composite comprenant un renfort fibreux densifié par une matrice, le procédé comprenant : - la réalisation par tissage tridimensionnel d’une première ébauche fibreuse de peau (100) en une seule pièce, la première ébauche fibreuse (100) présentant une forme plate s’étendant suivant une direction longitudinale (DL) et une direction transversale (DT) correspondant respectivement à la direction d’envergure et à la direction de corde de l’aube ou la pale d’hélice à fabriquer, la première ébauche fibreuse (100) comprenant une partie de profil aérodynamique (111) destinée à former au moins une partie du renfort fibreux du profil aérodynamique de l’aube ou de la pale d’hélice, ladite partie de profil aérodynamique (111) comprenant deux peaux (111e, 111f) délimitant entre elles un logement interne (140), - la réalisation par tissage d’au moins une deuxième ébauche fibreuse de comblement (200 ; 300), la deuxième ébauche fibreuse (200 ; 300) comprenant une partie de comblement de pied (212 ; 312) et une partie de comblement de profil aérodynamique (211 ; 311) destinées respectivement à former au moins une partie du renfort fibreux du pied et du renfort fibreux du profil aérodynamique de l’aube ou de la pale d’hélice, - la mise en forme de la première ébauche fibreuse de peau (100) par l’insertion d’au moins une deuxième ébauche fibreuse de comblement (200 ; 300) dans le logement interne (140) de la partie de profil aérodynamique (111) de la première ébauche fibreuse (100) de manière à obtenir une préforme fibreuse (20) de l’aube ou de la pale d’hélice, ladite préforme fibreuse (20) comprenant une préforme de profil aérodynamique formée par la partie de profil aérodynamique (111) de la première ébauche de peau (100) et par la partie de comblement de profil aérodynamique (211 ; 311) d’au moins une deuxième ébauche de comblement (200 ; 300), et une préforme de pied comprenant la partie de comblement de pied (212 ; 312) d’au moins une deuxième ébauche fibreuse de comblement (200 ; 300), et - la densification de la préforme fibreuse (20) par une matrice pour obtenir une aube ou une pale d’hélice en matériau composite ayant un renfort fibreux constitué par la préforme fibreuse et densifié par la matrice, et formant une seule pièce avec pied intégré, caractérisé en ce que la première ébauche fibreuse de peau (100) comprend en outre une partie de pied (112) destinée à former au moins une partie du renfort fibreux du profil aérodynamique de l’aube ou de la pale d’hélice, ladite partie de pied (112) de la première ébauche (100) comprenant au moins deux portions (112e, 112f) s’étendant suivant dans la direction longitudinale (DL) dans le prolongement des deux peaux (111e, 111f) de la partie de profil aérodynamique (111) de ladite première ébauche (100), de sorte que la préforme de pied de la préforme fibreuse (20) soit formée par l’insertion de la partie de de comblement de pied (212 ; 312) d’au moins une deuxième ébauche fibreuse de comblement (200 ; 300) entre les deux portions (112e, 112f) de la partie de pied (112) de la première ébauche fibreuse de peau (100). Procédé de fabrication selon la revendication 1, dans lequel la première ébauche fibreuse (100) est réalisée par tissage tridimensionnel présentant une armure interlock. Procédé de fabrication selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la ou les deuxièmes ébauches fibreuses (200 ; 300) sont réalisées par tissage tridimensionnel présentant une armure interlock. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la mise en forme de la première ébauche fibreuse (100) est réalisée par l’insertion d’une pluralité de deuxièmes préformes fibreuses (2100, 2200, 2300, 2400) dans le logement interne (140) de la partie de profil aérodynamique (111) de la première ébauche fibreuse (100). Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la mise en forme de la première ébauche fibreuse (100) est réalisée par l’insertion d’une unique deuxième préforme fibreuse (200 ; 300) réalisée en une seule pièce par tissage tridimensionnel. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la mise en forme de la première ébauche fibreuse (100) comprend l’introduction dans le logement interne (140) de la partie de profil aérodynamique (111) de ladite première ébauche fibreuse (100) d’au moins un élément d’insertion (4, 5) présentant une masse volumique inférieure à la masse volumique de la première et de la ou les deuxièmes ébauches densifiées par une matrice. Aube ou pale d’hélice en matériau composite comprenant un renfort fibreux densifié par une matrice, l’aube ou la pale d’hélice comportant suivant une direction longitudinale (DL) un pied et un profil aérodynamique, et s’étendant suivant une direction transversale (DT) entre un bord d’attaque et un bord de fuite, l’aube ou la pale d’hélice comprenant : - un longeron constitué d’un renfort fibreux obtenu par tissage tridimensionnel et densifié par une matrice, ledit longeron comprenant une partie de comblement de pied appartenant au pied de l’aube ou de la pale d’hélice et une partie de comblement de profil aérodynamique appartenant au profil aérodynamique de l’aube ou de la pale d’hélice, et - une peau obtenue par tissage tridimensionnel d’un renfort fibreux en une seule pièce densifié par une matrice recouvrant la partie de comblement de profil aérodynamique du longeron, caractérisée en ce que le renfort fibreux de la peau comprend en outre au moins deux portions disposées de part et d’autre de la partie de comblement de pied du longeron. Aube ou pale d’hélice selon la revendication 7, dans laquelle les renforts fibreux du longeron et la peau présentent une armure de tissage interlock. Aube ou pale d’hélice selon la revendication 7 ou 8, dans laquelle le renfort fibreux du longeron est formé par un empilement d’une pluralité de couches de tissus réalisés par tissage tridimensionnel, la direction d’empilement étant perpendiculaire aux directions transversale et longitudinale de l’aube ou de la pale d’hélice. Aube ou pale d’hélice selon l’une quelconque des revendications 7 à 9, comprenant en outre au moins un élément d’insertion disposé entre la peau et la partie de comblement de profil aérodynamique du longeron et présentant une masse volumique inférieure à la masse volumique de la peau et du longeron.