Brevet FR3133674A1 — publié le 20230922

L’invention concerne une éprouvette (10) pour la mesure d’une déformation engendrée dans une pièce en matériau composite, comportant : un pied (12) et un corps (14) s’étendant à partir du pied selon une direction longitudinale (X), et réalisés à base de fibres tissées et noyées dans une résine, un capteur de déformation (20) apte à mesurer une déformation d’une zone (Z1) du corps de l’éprouvette, le capteur de déformation comprenant un fil conducteur (22) s’étendant dans le corps le long de la zone, et un élément de liaison (30) agencé dans le pied de l’éprouvette, relié au capteur de déformation et configuré pour transmettre sans fil une mesure de déformation de la zone de l’éprouvette, en particulier à un organe extérieur (70) à l’éprouvette, l’élément de liaison (30) étant agencé entre au moins deux plis de fibres en matériau isolant (58) de l’éprouvette. Figure pour l'abrégé : Figure 1 ÉPROUVETTE ET PROCÉDÉ DE MESURE DES DEFORMATIONS ENGENDRÉES DANS UNE PIÈCE EN MATÉRIAU COMPOSITE Domaine technique de l'invention L’invention concerne une éprouvette pour la mesure des déformations engendrées dans une pièce en matériau composite, notamment une pièce pour une turbomachine d’aéronef, ainsi qu’un procédé de fabrication d’une telle éprouvette. L’invention concerne également un procédé de mesure de ces déformations. Arrière-plan technique De façon connue, pour le dimensionnement d’une pièce pour une turbomachine d’aéronef, telle qu’une aube, il est nécessaire de connaitre les propriétés mécaniques de la pièce pour alimenter un calcul par éléments finis et juger ainsi de la conformité d’un chargement vis-à-vis de la tenue du matériau sélectionné pour l’application. Ces données mécaniques sont généralement obtenues à partir d’essais mécaniques élémentaires sur des éprouvettes, représentatives d’un volume élémentaire de la pièce. Par volume élémentaire, on entend un sous ensemble de la pièce dont le comportement correspond à celui de la pièce macroscopique, même rigidité et même comportement à la rupture. Par exemple, on peut citer les essais de traction selon la norme NF EN ISO 527, les essais de cisaillement selon la norme ASTM D 7078 ou les essais en flexion selon la norme NF EN ISO 14125. D’après ces normes, la mesure de la déformation peut se faire par l’intermédiaire d’un extensomètre installé sur la surface de l’éprouvette. Un tel extensomètre est simple à installer car il se positionne sur l’éprouvette déjà positionnée dans des mors avec des élastiques. Toutefois, ce dispositif risque de glisser pendant l’essai. Il est connu un autre dispositif de mesure consistant en une ou plusieurs jauges collées sur la surface de l’éprouvette permettant d’éviter son glissement. Toutefois, la colle limite la température maximale de l’essai, l’application nécessite une étape spécifique au cours de la fabrication de l’éprouvette et la taille de la jauge est souvent plus petite que le volume élémentaire représentatif nécessaire pour l’essai mécanique. Une autre possibilité est de mesurer le déplacement des mors d’une machine supportant l’éprouvette au cours de l’essai mécanique. C’est la solution la plus simple à mettre en œuvre car elle est déjà intégrée dans la machine d’essai. Néanmoins, le résultat est peu fiable puisque dans le déplacement de la machine il faut prendre en compte également les jeux et les raideurs de tous les composants de la ligne. De plus, la déformation intègre également des zones de l’éprouvette non-utile qui risque de polluer l’analyse, par exemple les zones proches de mors où le composite peut également s’endommager. Alternativement, il est possible de mesurer les déformations par corrélation numérique d’images. Bien qu’une telle méthode permette d’avoir une vision stéréo de la déformation et que la mesure soit faite sans contact, elle engendre un grand volume de données numériques à traiter. De plus, l’installation de caméras nécessite un grand espace et la fréquence d’acquisition des caméras peut limiter la vitesse du chargement. En outre, les solutions existantes ne permettent pas de mesurer la déformation à l’intérieur de l’éprouvette, au cœur du tissage, mais uniquement sur les surfaces de l’éprouvette. De plus, les solutions existantes limitent la mesure aux seuls cas quasi-statiques. L’invention a pour objectif de proposer une solution permettant de remédier à au moins certains de ces inconvénients. En particulier, la présente invention propose une éprouvette spécifique pour mesurer la déformation mécanique pendant un essai statique ou de fatigue à l’intérieur d’un matériau composite à matrice organique (CMO), notamment dans un matériau composite tissé 3D ou dans un matériau composite 2D stratifié. L’invention concerne une éprouvette pour la mesure d’une déformation engendrée dans une pièce en matériau composite, notamment une pièce pour une turbomachine d’aéronef, l’éprouvette comportant un pied et un corps s’étendant à partir du pied selon une direction longitudinale, le pied et le corps étant réalisés à base de fibres tissées et noyées dans une résine. Selon l’invention, l’éprouvette comporte en outre : - un capteur de déformation apte à mesurer une déformation d’une zone du corps de l’éprouvette, le capteur de déformation comprenant un fil conducteur s’étendant dans le corps le long de la zone dont la déformation doit être mesurée, et - un élément de liaison agencé dans le pied de l’éprouvette, relié au capteur de déformation et configuré pour transmettre sans fil une mesure de déformation de la zone de l’éprouvette, en particulier à un organe extérieur à l’éprouvette, l’élément de liaison étant agencé entre au moins deux plis de fibres en matériau isolant de l’éprouvette. Ainsi, l’invention propose une éprouvette en matériau composite dans laquelle sont intégrés un premier élément sensible, le capteur de déformation, permettant de détecter la déformation interne du composite, et un second élément, l’élément de liaison, connecté au premier élément et permettant ainsi de transférer l’information de la mesure par un moyen sans fil à un élément externe. L’invention permet ainsi de suivre la déformation à cœur d’un CMO pendant un essai quasi-statique ou de fatigue jusqu’à la rupture de l’éprouvette. Le fil conducteur de l’invention s’étendant le long de toute la zone de l’éprouvette dans laquelle on cherche à mesurer la déformation, il est possible d’éviter de devoir placer de nombreux capteurs sur la pièce mesurant chacun localement la déformation. L’invention permet ainsi de mesurer la déformation de l’éprouvette dans son ensemble, c’est-à-dire sur une grande longueur, avec un seul et unique capteur. L’éprouvette peut, en outre, être de grande taille et peut avoir un comportement mécanique non homogène sans pour autant compliquer la mesure de sa déformation. D’autre part, l’élément de liaison, permettant de mesurer la résistance du fil conducteur et de transmettre cette mesure à un organe extérieur à la pièce, est un moyen sans fil, permettant de faciliter le procédé de mesures, notamment sur des pièces mobiles, telles que des aubes. Grâce notamment à la technologie RFID, on peut se passer des raccordements de fils, ce qui résout le problème de câblage important de l’art antérieur. Le capteur de déformation est intégré au cœur de l’éprouvette dans le tissage sans perturber la zone utile de mesure, c’est-à-dire la zone dans laquelle l’endommagement maximale doit être mesuré. Cette intégration est réalisée de façon à ne pas modifier le nombre d’étapes de fabrication de l’éprouvette. Le capteur de déformation et l’élément de liaison sont localisés dans le composite afin que les contraintes du procédé de fabrication soient les moins contraignantes possible et que leur présence ne modifie pas le comportement que l’on souhaite caractériser. L’intégration de l’élément de liaison dans le composite entre des plis isolants, notamment en fibres de verre, permet de faire passer les ondes radio pour que l’élément de liaison puisse communiquer avec un dispositif extérieur appelé lecteur. L’éprouvette selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou en combinaison les unes avec les autres selon toutes les combinaisons techniquement possibles : l’éprouvette est obtenue à partir d’une préforme comportant une première structure fibreuse et une deuxième structure fibreuse, la première structure fibreuse étant obtenue par tissage tridimensionnel et la deuxième structure fibreuse comportant les au moins deux plis de fibres en matériau isolant, et dans laquelle le fil conducteur est tissé avec les fibres de la première structure fibreuse ; l’élément de liaison et la deuxième structure fibreuse sont agencés entre une première portion déliée et une deuxième portion déliée obtenues par déliaison de la première structure dans une zone extérieure de la préforme, disposée en dehors de la zone dans laquelle la déformation doit être mesurée ; l’éprouvette est obtenue à partir d’une préforme comportant une première structure fibreuse et une deuxième structure fibreuse, la première structure fibreuse étant obtenue par superposition de plis de fibres tissées en deux dimensions et la deuxième structure fibreuse comportant les au moins deux plis de fibres en matériau isolant, et dans laquelle le fil conducteur est agencé entre deux plis de fibres tissées en deux dimensions de la première structure fibreuse ; les fibres de la première structure fibreuse sont en carbone et le fil conducteur est entouré par une gaine isolante, de préférence réalisée dans le même matériau que la résine ; l’élément de liaison est configuré pour mesurer la résistance par une mesure « dite quatre points » sur le fil conducteur ; l’élément de liaison comprend une étiquette RFID, notamment configurée pour fonctionner à une fréquence comprise entre 860 et 960 MHz. L’invention concerne également un procédé de fabrication d’une telle éprouvette, comprenant : a) une étape d’insertion consistant à insérer un fil conducteur dans une préforme de fibres tissées, le fil conducteur s’étendant le long d’une zone dont la déformation doit être mesurée, b) une étape d’intégration de l’élément de liaison dans la préforme, et à relier l’élément de liaison au fil conducteur de façon à réaliser une mesure « dite quatre points » de la résistance du fil conducteur, et c) une étape d’injection consistant à injecter la résine dans la préforme préalablement disposée dans un moule, de façon à réaliser l’éprouvette et à consolider l’ensemble. Le procédé de fabrication selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou en combinaison les unes avec les autres selon toutes les combinaisons techniquement possibles : le fil conducteur est tissé avec les fibres d’une première structure fibreuse de la préforme et l’élément de liaison et une deuxième structure fibreuse de la préforme sont agencés entre une première portion déliée et une deuxième portion déliée obtenues par déliaison de la première structure dans une zone extérieure de la préforme, disposée en dehors de la zone dans laquelle la déformation doit être mesurée, la deuxième structure fibreuse comportant les au moins deux plis de fibres en matériau isolant ; la préforme comporte une première structure fibreuse et une deuxième structure fibreuse, la première structure fibreuse étant obtenue par superposition de plis de fibres tissées en deux dimensions et la deuxième structure fibreuse comportant les au moins deux plis de fibres en matériau isolant et dans laquelle le fil conducteur est agencé entre deux plis de fibres tissées en deux dimensions de la première structure fibreuse ; le procédé de fabrication comporte une étape d’usinage de l’éprouvette. L’invention concerne également un procédé de mesure des déformations engendrées dans une éprouvette selon l’invention et telle que décrite précédemment, comprenant : - une étape de mise sous contrainte de l’éprouvette au cours d’un essai mécanique normalisé ; - une étape de réception par un dispositif de lecture des données de déformation de l’éprouvette mesurées par le capteur de déformation intégré dans l’éprouvette et transmises sans fil par l’élément de liaison intégré dans l’éprouvette. Brève description des figures L’invention sera mieux comprise et d’autres caractéristiques et avantages apparaîtront encore à la lecture de la description détaillée qui suit comprenant des modes de réalisation, donnés à titre illustratif en référence avec les figures annexées et présentés en tant qu’exemples non limitatifs, qui pourront servir à compléter la compréhension de la présente invention et l’exposé de sa réalisation et, le cas échéant, contribuer à sa définition, sur lesquelles : la est une représentation schématique en coupe d’une éprouvette comportant un capteur de déformation et un élément de liaison selon l’invention ; la est une représentation schématique tridimensionnelle d’une portion d’une préforme destinée à former une éprouvette selon un premier mode de réalisation dans lequel la préforme comporte au moins une structure composite en fibres tissées 3D et un fil conducteur cotissé avec ces fibres ; la est une représentation schématique en coupe d’une portion d’une préforme destinée à former une éprouvette selon un deuxième mode de réalisation dans lequel la préforme comporte au moins une structure composite stratifiée de fibres tissées 2D et un fil conducteur ; la est une représentation schématique de profil d’un essai mécanique de flexion quatre points sur une éprouvette selon l’invention ; la représente un ordinogramme d’un procédé de mesure des déformations engendrées au cours d’un essai mécanique dans une éprouvette selon l’invention ; la représente un ordinogramme d’un procédé de fabrication d’une éprouvette 10 selon l’invention ; la est une représentation schématique d’une étape d’intégration du capteur de déformation dans la préforme ; la est une représentation schématique d’une étape d’intégration de l’élément de liaison dans la préforme nécessaire à la communication sans fil ; et la est une représentation schématique d’une étape d’injection du polymère pour réaliser le matériau composite (CMO). Eprouvette (10) pour la mesure d’une déformation engendrée dans une pièce en matériau composite, notamment une pièce pour une turbomachine d’aéronef, l’éprouvette comportant : un pied (12) et un corps (14) s’étendant à partir du pied selon une direction longitudinale (X), le pied et le corps étant réalisés à base de fibres tissées et noyées dans une résine, caractérisée en ce que l’éprouvette (10) comporte en outre : un capteur de déformation (20) apte à mesurer une déformation d’une zone (Z1) du corps (14) de l’éprouvette (10), le capteur de déformation (20) comprenant un fil conducteur (22) s’étendant dans le corps le long de la zone (Z1) dont la déformation doit être mesurée, et un élément de liaison (30) agencé dans le pied (12) de l’éprouvette (10), relié au capteur de déformation (20) et configuré pour transmettre sans fil une mesure de déformation de la zone (Z1) de l’éprouvette (10), en particulier à un organe extérieur (70) à l’éprouvette (10), l’élément de liaison (30) étant agencé entre au moins deux plis de fibres en matériau isolant (58) de l’éprouvette (10). Eprouvette (10) selon la revendication précédente, obtenue à partir d’une préforme (40) comportant une première structure fibreuse (41) et une deuxième structure fibreuse (56), la première structure fibreuse (41) étant obtenue par tissage tridimensionnel et la deuxième structure fibreuse (56) comportant les au moins deux plis de fibres en matériau isolant (58), et dans laquelle le fil conducteur (22) est tissé avec les fibres (42, 44) de la première structure fibreuse (41). Eprouvette (10) selon la revendication 2, dans laquelle l’élément de liaison (30) et la deuxième structure fibreuse (56) sont agencés entre une première portion déliée (41a) et une deuxième portion déliée (41b) obtenues par déliaison de la première structure (41) dans une zone extérieure (Z2) de la préforme (40), disposée en dehors de la zone (Z1) dans laquelle la déformation doit être mesurée. Eprouvette (10) selon la revendication 1, obtenue à partir d’une préforme (50) comportant une première structure fibreuse (51) et une deuxième structure fibreuse (56), la première structure fibreuse (51) étant obtenue par superposition de plis (52) de fibres tissées en deux dimensions et la deuxième structure fibreuse (56) comportant les au moins deux plis de fibres en matériau isolant (58), et dans laquelle le fil conducteur (22) est agencé entre deux plis (52) de fibres tissées en deux dimensions de la première structure fibreuse (51). Eprouvette (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes 2 à 4, dans laquelle les fibres de la première structure fibreuse sont en carbone et le fil conducteur (22) est entouré par une gaine isolante (26), de préférence réalisée dans le même matériau que la résine. Eprouvette (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l’élément de liaison (30) est configuré pour mesurer la résistance par une mesure « dite quatre points » sur le fil conducteur (22). Eprouvette (10) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle l’élément de liaison (30) comprend une étiquette RFID (32), notamment configurée pour fonctionner à une fréquence comprise entre 860 et 960 MHz. Procédé de fabrication d’une éprouvette (10) selon l’une des revendications précédentes 1 à 7, le procédé comprenant : a) une étape d’insertion (S30) consistant à insérer un fil conducteur (28) dans une préforme (40, 50) de fibres tissées, le fil conducteur (22) s’étendant le long d’une zone (Z1) dont la déformation doit être mesurée, b) une étape d’intégration (S40) de l’élément de liaison (30) dans la préforme (40, 50), et à relier l’élément de liaison (30) au fil conducteur (22) de façon à réaliser une mesure « dite quatre points » de la résistance du fil conducteur (51), et c) une étape d’injection (S50) consistant à injecter la résine dans la préforme (40, 50) préalablement disposée dans un moule, de façon à réaliser l’éprouvette (10) et à consolider l’ensemble. Procédé de fabrication d’une éprouvette (10) selon la revendication 8, dans lequel le fil conducteur (22) est tissé avec les fibres (42, 44) d’une première structure fibreuse (41) de la préforme (40) et l’élément de liaison (30) et une deuxième structure fibreuse (56) de la préforme (40) sont agencés entre une première portion déliée (41a) et une deuxième portion déliée (41b) obtenues par déliaison de la première structure (41) dans une zone extérieure (Z2) de la préforme (40), disposée en dehors de la zone (Z1) dans laquelle la déformation doit être mesurée, la deuxième structure fibreuse (56) comportant les au moins deux plis de fibres en matériau isolant (58). Procédé de fabrication d’une éprouvette (10) selon la revendication 8, dans lequel la préforme (50) comporte une première structure fibreuse (51) et une deuxième structure fibreuse (56), la première structure fibreuse (51) étant obtenue par superposition de plis (52) de fibres tissées en deux dimensions et la deuxième structure fibreuse (56) comportant les au moins deux plis de fibres en matériau isolant (58) et dans laquelle le fil conducteur (22) est agencé entre deux plis (52) de fibres tissées en deux dimensions de la première structure fibreuse (51). Procédé de fabrication d’une éprouvette (10) selon l’une des revendications 8 à 10, comportant une étape d’usinage (S60) de l’éprouvette (10). Procédé de mesure des déformations engendrées dans une éprouvette (10) selon l’une des revendications précédentes 1 à 7, comprenant : une étape (S10) de mise sous contrainte de l’éprouvette (10) au cours d’un essai mécanique normalisé ; une étape (S20) de réception par un dispositif de lecture (70) des données de déformation de l’éprouvette (10) mesurées par le capteur de déformation (20) intégré dans l’éprouvette (10) et transmises sans fil par l’élément de liaison (30) intégré dans l’éprouvette (10).