Brevet FR3132719A1 — publié le 20230818

Outillage amovible pour l’infiltration en phase gazeuse L’invention concerne un outillage amovible (100) pour la consolidation ou la densification en phase gazeuse d’au moins une préforme fibreuse (5) configuré pour être disposé dans un four (10, 20), l’outillage amovible (100) étant caractérisé en ce qu’il comprend une chambre d’homogénéisation (110) comprenant au moins un orifice d’entrée de gaz (111) et une chambre d’appauvrissement (130) comprenant au moins un orifice de sortie de gaz (131), l’outillage amovible (100) comprenant en outre une chambre de réaction (120) disposée entre la chambre d’homogénéisation (110) et la chambre d’appauvrissement (130) et configurée pour recevoir au moins une préforme fibreuse (5), la chambre de réaction (120) étant séparée des chambres d’homogénéisation (110) et d’appauvrissement (130) par des plaques perforées (115, 125). Figure pour l’abrégé : Fig. 4 Outillage amovible pour l’infiltration en phase gazeuse La présente invention concerne la fabrication de pièces en matériau composite et, plus particulièrement, l’installation et les outillages utilisés 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 chargeant la ou les préformes fibreuses à consolider ou à densifier dans un four. Un tel four est notamment décrit dans les documents WO 2018/104640 A1 et WO 2015/044562 A1. Le four comprend habituellement une zone d’injection de gaz réactifs contenant un ou plusieurs précurseurs gazeux du matériau constitutif de matrice. Ces gaz réactifs sont ensuite introduits dans une zone d’homogénéisation du four, permettant d’homogénéiser la température et la composition desdits gaz, avant de pénétrer dans une zone de réaction dans laquelle les préformes à densifier ou à consolider sont disposées. La température et la pression dans le four sont réglées pour permettre au gaz réactif de diffuser au sein des porosités des préformes fibreuses. 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. Puis, les gaz pénètrent dans une zone d’appauvrissement, au sein de laquelle lesdits gaz finissent d’être consommés, avant d’être évacués par le biais d’une zone d’éjection des gaz produits. Cependant, cette technique de consolidation ou de densification implique des cycles de production longs, surtout en comparaison de la durée effectivement utilisée pour densifier ou consolider la préforme. En effet, avant de pouvoir procéder à la densification ou à la consolidation à proprement parler, il est nécessaire de charger la ou les préformes fibreuses dans le four, de mesurer le taux de fuite du four et de chauffer le four pour atteindre la température souhaitée. Une fois l’étape de densification ou de consolidation réalisée, il est encore nécessaire de refroidir le four, de décharger la ou les pièces, puis de nettoyer et préparer le four pour le cycle suivant. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients décrits précédemment. A cet effet, l’invention propose un outillage amovible pour la consolidation ou la densification en phase gazeuse d’au moins une préforme fibreuse configuré pour être disposé dans un four, l’outillage amovible étant caractérisé en ce qu’il comprend une chambre d’homogénéisation comprenant au moins un orifice d’entrée de gaz et une chambre d’appauvrissement comprenant au moins un orifice de sortie de gaz, l’outillage amovible comprenant en outre une chambre de réaction disposée entre la chambre d’homogénéisation et la chambre d’appauvrissement et configurée pour recevoir au moins une préforme fibreuse, la chambre de réaction étant séparée des chambres d’homogénéisation et d’appauvrissement par des plaques perforées. Par « chambre d’homogénéisation », on désigne une chambre configurée pour homogénéiser la composition et la température du ou des gaz pénétrant par le ou les orifices d’entrée de gaz. Par « chambre d’appauvrissement », on désigne une chambre configurée pour appauvrir le ou les gaz avant leur sortie par le ou les orifices de sortie de gaz. Par « four », on désigne de préférence un four configuré pour des opérations d’infiltration chimique en phase gazeuse. Ainsi, l’outillage amovible selon l’invention permet d’augmenter fortement le temps durant lequel le four pour l’infiltration chimique en phase gazeuse est disponible pour réaliser effectivement des opérations de densification ou de consolidation. En effet, les zones d’homogénéisation, de réaction et d’appauvrissement sont les zones qui nécessitent un nettoyage et une maintenance récurrents, car ce sont les zones les plus exposées aux gaz réactifs. En utilisant un outillage amovible intégrant directement la zone d’homogénéisation, la zone de réaction et la zone d’appauvrissement, il est possible de réaliser les opérations récurrentes de nettoyage, de maintenance et de préparation sans immobiliser le four. Ainsi, les étapes de nettoyage et de préparation peuvent être effectuées sur un premier outillage amovible tandis que le four est simultanément utilisé, par exemple pour densifier ou consolider des préformes fibreuses à l’aide d’un deuxième outillage amovible. En outre, grâce à un tel outillage amovible, il est possible de maintenir le four aux bonnes conditions de température et de pression en chargeant et déchargeant les outillages amovibles. Il n’est donc plus nécessaire de procéder aux étapes de chauffage et de refroidissement du four, celui restant à température, pendant que les outillages amovibles sont chauffés ou refroidis à part. Ainsi, grâce à un tel outillage amovible, l’utilisation du four pour l’infiltration chimique en phase gazeuse est presque exclusivement limitée à l’opération de densification ou de consolidation, augmentant ainsi fortement la cadence possible de production. Par ailleurs, l’utilisation d’un tel outillage amovible permet une économie de gaz réactifs, car la zone de réaction – ici limitée à la chambre de réaction – est de taille très restreinte. Cette réduction de consommation en gaz réactifs permet également une réduction des coûts liés à l’installation, en permettant un dimensionnement plus modeste du four, en particulier concernant le groupe de vide ou l’unité de traitement des effluents. Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, l’outillage amovible est réalisé au moins partiellement en matériau conducteur et comprend des bornes de connexion électrique. Ainsi, l’outillage amovible peut être connecté à des bornes électriques présentes dans le four, de sorte à faire office de résistance. L’outillage amovible peut ainsi être capable de chauffer les préformes fibreuses présentes dans sa chambre de réaction et éventuellement le ou les gaz réactifs présents dans ledit outillage amovible. Selon une caractéristique particulière de l’invention, l’outillage amovible est réalisé en graphite. L’invention concerne également un chargement configuré pour être disposé dans un four, ledit chargement comprenant un outillage amovible selon l’invention et au moins une préforme fibreuse disposée dans la chambre de réaction de l’outillage amovible. Selon une caractéristique particulière de l’invention, le chargement comprend au moins un conformateur dans lequel est maintenue la préforme fibreuse, le conformateur étant disposé dans la chambre de réaction de l’outillage amovible. Ainsi, la ou les préformes fibreuses peuvent être disposées librement dans la chambre de réaction de l’outillage amovible, ou être maintenues dans un ou plusieurs conformateurs. Selon une caractéristique particulière de l’invention, ledit au moins un conformateur comprend une pluralité de logements de conformation, chaque logement de conformation étant formé par une première surface et une deuxième surface en regard l’une de l’autre et étant destiné à accueillir une préforme fibreuse, chaque première ou deuxième surface comprenant des 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, chaque 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 dudit logement. Par « face d’extrémité », on désigne la surface de l’élément de maintien qui est réellement au contact de la préforme fibreuse disposée dans le logement de conformation. 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 logement de conformation. Un tel conformateur est parfaitement adapté à un outillage amovible selon l’invention, et permet de réduire encore la consommation en gaz réactifs tout en augmentant la quantité de préformes fibreuses pouvant être consolidées ou densifiées simultanément. En outre, ce type de conformateur sans perforations nécessite peu d’entretien et d’opérations de nettoyage, tout en étant plus robuste. L’invention concerne en outre une installation pour la consolidation ou la densification par infiltration chimique en phase gazeuse comprenant au moins un outillage amovible selon l’invention, ladite installation comprenant en outre au moins un four CVI comprenant au moins un injecteur de gaz et un système d’évacuation du gaz, le four CVI étant apte à recevoir l’outillage amovible de sorte qu’au moins un orifice d’entrée de gaz de l’outillage amovible soit relié à au moins un injecteur de gaz du four CVI, le four CVI étant configuré pour chauffer ou isoler thermiquement ledit outillage amovible. Par « four CVI », on désigne un four de type CVI, de l’anglais « chemical vapor infiltration », c’est-à-dire un four configuré pour la réalisation d’une opération d’infiltration en phase gazeuse. La présence de plusieurs fours CVI dans l’installation permet d’augmenter la cadence de production, mais peut également offrir une plus grande flexibilité et permettre plus de variations dans la réalisation des procédés de consolidation et de densification, voire dans la réalisation de procédés mixtes. Ainsi, un même outillage amovible chargé peut être disposé successivement dans deux fours CVI, présentant par exemple des conditions différentes de température, de pression ou de composition du ou des gaz injectés. Selon une caractéristique particulière de l’invention, dans le cas où l’outillage amovible est réalisé au moins partiellement en matériau conducteur et comprend des bornes de connexion électrique, le four CVI comprend en outre des bornes de connexion électrique, le four CVI étant apte à recevoir l’outillage amovible de sorte que les bornes de connexion électrique du four CVI soient reliées aux bornes de connexion électrique de l’outillage amovible. Ainsi, l’outillage amovible peut faire office de résistance, et ainsi être capable de chauffer les préformes fibreuses présentes dans sa chambre de réaction et éventuellement le ou les gaz réactifs présents dans ledit outillage amovible. Selon une caractéristique particulière de l’invention, l’installation comprend en outre au moins un four de préchauffage apte à recevoir un outillage amovible selon l’invention et configuré pour préchauffer ou isoler thermiquement ledit outillage amovible. La présence d’un four de préchauffage permet de pouvoir réaliser le préchauffage, c’est-à-dire la mise en température, voire la mise en pression, de l’outillage amovible chargé par la ou les préformes fibreuses sans nécessiter le blocage d’un four CVI configuré pour la consolidation ou la densification en phase gazeuse. Le ou les fours CVI peuvent ainsi être consacrés à l’étape de consolidation ou de densification proprement dite, le préchauffage des chargements étant réalisée dans le ou les fours de préchauffage. Les cadences de production peuvent ainsi être augmentées. Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, l’installation comprend comprenant en outre au moins une cellule de refroidissement apte à recevoir un outillage amovible selon l’invention et configurée pour refroidir ledit outillage amovible. La présence d’une cellule de refroidissement permet de pouvoir réaliser le refroidissement de l’outillage amovible chargé par la ou les pièces consolidées ou densifiées sans nécessiter le blocage d’un four CVI configuré pour la consolidation ou la densification en phase gazeuse. Le ou les fours CVI peuvent ainsi être consacrés à l’étape de consolidation ou de densification proprement dite, le refroidissement des pièces consolidées ou densifiées étant réalisé dans la ou les cellules de refroidissement. Les cadences de production peuvent ainsi être augmentées. L’outillage amovible sort donc classiquement de l’installation selon l’invention depuis la cellule de refroidissement. Toutefois, la cellule de refroidissement peut également être l’entrée depuis laquelle l’outillage amovible pénètre dans l’installation selon l’invention. En effet, en chargeant l’outillage amovible dans la cellule de refroidissement avant de le faire pénétrer par le biais d’un tunnel de transfert dans un four de préchauffage ou dans un four CVI, on limite les pertes thermiques du four de préchauffage ou du four CVI par rapport à si ledit four de préchauffage ou CVI était directement ouvert sur l’extérieur. Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, l’installation comprend au moins un tunnel de transfert configuré pour permettre le déplacement de l’outillage amovible au moins entre le four CVI et un autre four CVI, un four de préchauffage ou une cellule de refroidissement. L’utilisation d’un tel tunnel de transfert permet de déplacer aisément l’outillage amovible entre le ou les fours CVI, le ou les fours de préchauffage et la ou les cellules de refroidissement. De préférence, le tunnel de transfert comprend au moins deux ouvertures, et forme un passage fermé permettant le déplacement de l’outillage de conformation. De préférence, chaque ouverture du tunnel de transfert est apte à former un contact étanche avec la porte du four CVI, du four de préchauffage ou de la cellule de refroidissement. De préférence, le tunnel de transfert est réalisé au moins partiellement dans un matériau adiabatique, c’est-à-dire dans un matériau empêchant l’échange de chaleur entre l’extérieur et l’intérieur du tunnel. Ainsi, en limitant les pertes de chaleur de l’outillage amovible lors de son passage dans le tunnel de transfert, on maintient sa température, ce qui est particulièrement intéressant dans le cas d’un transfert entre deux fours de l’installation. L’installation présente par conséquent une configuration modulaire, chaque four CVI, chaque four de préchauffage et chaque cellule de refroidissement correspondant à un module. Une telle architecture avec plusieurs modules permet une grande flexibilité dans la réalisation des procédés d’infiltration chimique en phase gazeuse. Ainsi, un outillage amovible chargé peut circuler d’un module à un autre facilement, selon les étapes à réaliser. L’invention concerne également une utilisation d’une installation pour la consolidation ou la densification par infiltration chimique en phase gazeuse comprenant au moins un four CVI, un four de préchauffage et une cellule de refroidissement, le four CVI comprenant au moins un injecteur de gaz et un système d’évacuation du gaz, l’utilisation comprenant : - le placement d’un chargement selon l’invention dans le four de préchauffage, et le préchauffage dudit chargement, puis - le placement du chargement dans le four CVI de sorte qu’au moins un orifice d’entrée de gaz de l’outillage amovible du chargement soit relié à au moins un injecteur de gaz du four CVI, puis la consolidation ou la densification par infiltration en phase gazeuse d’une matrice de la ou les préformes fibreuses présentes dans le chargement, puis - le placement du chargement dans la cellule de refroidissement, et le refroidissement dudit chargement, puis - le retrait du chargement de la cellule de refroidissement. Ensuite, on peut procéder au retrait de la ou les pièces consolidées ou densifiées par la matrice de l’outillage amovible. L’utilisation décrite ici représente une utilisation classique de l’installation de consolidation ou de densification. On ne sort bien entendu pas du cadre de l’invention si l’on ajoute des étapes supplémentaires. Plus généralement, l’invention concerne une utilisation d’une installation pour la consolidation ou la densification par infiltration chimique en phase gazeuse comprenant au moins un four CVI, le four CVI comprenant au moins un injecteur de gaz et un système d’évacuation du gaz, l’utilisation comprenant : - le placement d’un chargement selon l’invention dans le four CVI de sorte qu’au moins un orifice d’entrée de gaz de l’outillage amovible du chargement soit relié à au moins un injecteur de gaz du four CVI, puis la consolidation ou la densification par infiltration en phase gazeuse d’une matrice de la ou les préformes fibreuses présentes dans le chargement, puis - le retrait du chargement du four CVI. Selon une caractéristique particulière de l’invention, l’utilisation de l’installation comprend en outre, avant le placement du chargement dans le four CVI, le placement du chargement dans un four de préchauffage, puis le préchauffage dudit chargement. Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, l’utilisation de l’installation comprend en outre, après l’étape de consolidation ou de densification par infiltration en phase gazeuse, le placement du chargement dans une cellule de refroidissement, puis le refroidissement dudit chargement. Dans le cas où l’utilisation précédente concerne la consolidation de préformes fibreuses, on peut réaliser une étape supplémentaire de densification par voie gazeuse, liquide ou solide de manière bien connue pour obtenir une pièce en matériau composite. L’étape supplémentaire de densification par voie gazeuse peut être réalisée grâce à l’outillage amovible ou à l’installation selon l’invention. La est une vue schématique en perspective transparente d’un chargement comprenant un outillage amovible selon l’invention. La est une vue schématique en coupe d’une variante de chargement comprenant un outillage amovible selon l’invention. La est une vue schématique simplifiée d’une installation selon l’invention. La est une vue schématique en coupe d’un four CVI de l’installation selon l’invention comprenant un chargement. Outillage amovible (100 ; 200) pour la consolidation ou la densification en phase gazeuse d’au moins une préforme fibreuse (5 ; 6) configuré pour être disposé dans un four (10, 20), l’outillage amovible (100 ; 200) étant caractérisé en ce qu’il comprend une chambre d’homogénéisation (100 ; 200) comprenant au moins un orifice d’entrée de gaz (111 ; 211) et une chambre d’appauvrissement (130 ; 230) comprenant au moins un orifice de sortie de gaz (131 ; 231), l’outillage amovible (100 ; 200) comprenant en outre une chambre de réaction (120 ; 220) disposée entre la chambre d’homogénéisation (110 ; 210) et la chambre d’appauvrissement (130 ; 230) et configurée pour recevoir au moins une préforme fibreuse (5 ; 6), la chambre de réaction (120 ; 220) étant séparée des chambres d’homogénéisation (110 ; 210) et d’appauvrissement (130 ; 230) par des plaques perforées (115, 125). Outillage amovible (100 ; 200) selon la revendication 1, ledit outillage (100 ; 200) étant réalisé au moins partiellement en matériau conducteur et comprenant des bornes de connexion électrique (150 ; 250). Outillage amovible (100 ; 200) selon la revendication 1 ou 2, ledit outillage (100 ; 200) étant réalisé en graphite. Chargement configuré pour être disposé dans un four (10, 20), comprenant un outillage amovible (100 ; 200) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3 et au moins une préforme fibreuse (5 ; 6) disposée dans la chambre de réaction (120 ; 220) de l’outillage amovible (100 ; 200). Chargement selon la revendication 4, comprenant au moins un conformateur (7 ; 8) dans lequel est maintenue la préforme fibreuse (5 ; 6), le conformateur (7 ; 8) étant disposé dans la chambre de réaction (120 ; 220) de l’outillage amovible (100 ; 200). Chargement selon la revendication 5, dans lequel ledit au moins un conformateur (8) comprend une pluralité de logements de conformation (80), chaque logement de conformation (80) étant formé par une première surface (81) et une deuxième surface (82) en regard l’une de l’autre et étant destiné à accueillir une préforme fibreuse (6), chaque première ou deuxième surface (81, 82) comprenant des éléments de maintien (81a, 82a) 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 (6), chaque logement de conformation (80) s’étendant entre au moins une entrée de gaz (80e) et au moins une sortie de gaz (80s) positionnées entre la première surface (81) et la deuxième surface (82) dudit logement (80). Installation (1) pour la consolidation ou la densification par infiltration chimique en phase gazeuse comprenant au moins un outillage amovible (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, ladite installation (1) comprenant en outre au moins un four CVI (10) comprenant au moins un injecteur de gaz (11) et un système d’évacuation du gaz (13, 14), le four CVI (10) étant apte à recevoir l’outillage amovible (100) de sorte qu’au moins un orifice d’entrée de gaz (111) de l’outillage amovible (100) soit relié à au moins un injecteur de gaz (11) du four CVI (10), le four CVI (10) étant configuré pour chauffer ou isoler thermiquement ledit outillage amovible (100). Installation (1) selon la revendication 7, comprenant en outre au moins un four de préchauffage (20) apte à recevoir un outillage amovible (100) et configuré pour préchauffer ou isoler thermiquement ledit outillage amovible (100). Installation (1) selon la revendication 7 ou 8, comprenant en outre au moins une cellule de refroidissement (30) apte à recevoir un outillage amovible (100) et configurée pour refroidir ledit outillage amovible (100). Installation (1) selon l’une quelconque des revendications 7 à 9, comprenant au moins un tunnel de transfert (50) configuré pour permettre le déplacement de l’outillage amovible (100) au moins entre le four CVI (10) et un autre four CVI (10), un four de préchauffage (20) ou une cellule de refroidissement (30). Utilisation d’une l’installation (1) pour la consolidation ou la densification par infiltration chimique en phase gazeuse comprenant au moins un four CVI (10), un four de préchauffage (20) et une cellule de refroidissement (30), le four CVI (10) comprenant au moins un injecteur de gaz (11) et un système d’évacuation du gaz (13, 14), l’utilisation comprenant : - le placement d’un chargement selon l’une quelconque des revendications 4 à 6 dans le four de préchauffage (20), et le préchauffage dudit chargement, puis - le placement du chargement dans le four CVI (10) de sorte qu’au moins un orifice d’entrée de gaz (111) de l’outillage amovible (100) du chargement soit relié à au moins un injecteur de gaz (11) du four CVI (10), puis la consolidation ou la densification par infiltration en phase gazeuse d’une matrice de la ou les préformes fibreuses (5) présentes dans le chargement, puis - le placement du chargement dans la cellule de refroidissement (30), et le refroidissement dudit chargement, puis - le retrait du chargement de la cellule de refroidissement (30).