Brevet FR3133563A1 — publié le 20230922

Procédé de fabrication d’une ébauche fibreuse cylindrique pour disques annulaires de freinage Un procédé de fabrication d’une ébauche fibreuse cylindrique (300) pour disques annulaires de freinage en matériau composite comprend les étapes suivantes : - réalisation d’une première couronne fibreuse (100) sur un mandrin (20) s’étendant suivant une direction axiale (D A ) et une direction radiale (D R ), la première couronne comprenant une pluralité de secteurs angulaires adjacents, chaque secteur angulaire étant formé au moins par pliage en accordéon d’une bande tissée en une pluralité de plis parallèles (111), les plis de chaque secteur angulaire étant aiguilletés suivant une direction tangentielle à la périphérie externe (20a) du mandrin (20), - réalisation d’une deuxième couronne fibreuse (200) sur la première couronne (100) par bobinage d’une bande tissée sur plusieurs tours de manière à obtenir une ébauche fibreuse cylindrique, chaque tour de bande de tissée étant aiguilleté suivant la direction radiale (D R ). Figure pour l’abrégé : Fig. 6. Procédé de fabrication d’une ébauche fibreuse cylindrique pour disques annulaires de freinage La présente invention concerne la fabrication de pièces annulaires en matériau composite et plus particulièrement des pièces de friction, telles que des disques de freins d'avions. Le document US 6 183 583 divulgue un procédé pour obtenir une pièce de friction en matériau composite comprenant la fabrication d’une ébauche fibreuse plane carrée ou rectangulaire obtenue par superposition de couches de fibres, en général des fibres en précurseurs de carbone comme du polyacrylonitrile ou PAN, les couches étant liées entre elles par aiguilletage. Une fois l’ébauche fibreuse ainsi réalisée une ou plusieurs préformes annulaires sont alors découpées dans l’ébauche fibreuse par exemple par poinçonnage ou à l’emporte-pièce. La ou les préformes sous soumises à un traitement thermique appelé carbonisation consistant à purifier les fibres PAN et le carbone qui les compose. La ou les préformes fibreuses annulaires sont ensuite densifiées par une matrice. L’étape de densification consiste à placer la ou les préformes dans un four de densification dans lequel une phase gazeuse est injectée dans des conditions de pression et de température déterminées de manière à former un dépôt carboné dans la porosité des préformes. Après un traitement thermique, les pièces ainsi obtenues sont usinées pour dresser les surfaces de friction et former des tenons pour le guidage des disques de freinage. Les tenons correspondent à des zones de transmission du couple de freinage à la structure de système de frein. Ce type de procédé de fabrication présente toutefois plusieurs inconvénients. Un de ces inconvénients est le fort taux de chutes après découpe des préformes annulaires dans l’ébauche fibreuse. En effet, la perte de matière est supérieure à 50% et les chutes de l’ébauche doivent être retraitées/recyclées, ce qui entraîne une perte financière sur la valorisation de la matière et un coût environnemental. Les fibres des préformes ne sont pas orientées de façon optimale par rapport aux efforts à reprendre lors des sollicitations, en particulier au niveau des tenons. En effet, il n’y a pas de symétrie axiale dans le tissage des fibres dans les préformes alors que les efforts sont principalement en cisaillement tangent. En outre, la circulation de la phase gazeuse à cœur des préformes n’est pas favorisée par la structure fibreuse qui les constitue, ce qui entraîne une baisse de productivité et une augmentation du temps de séjour des préformes dans le four et donc un coût environnemental non négligeable. En outre, la densification (dépôt de matrice) n’est pas homogène dans l’épaisseur du disque avec un niveau de densification plus important en surface qu’à cœur. Ce manque d’homogénéité dans la densification entraîne un manque d’homogénéité de la friction en fonction de l’usure. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précités en proposant, selon un premier aspect, un procédé de fabrication d’une ébauche fibreuse cylindrique pour disques stators annulaires de freinage en matériau composite comprenant les étapes suivantes : - réalisation d’une première couronne fibreuse à partir d’une bande tissée sur un mandrin s’étendant suivant une direction axiale et une direction radiale, la première couronne comprenant une pluralité de secteurs angulaires adjacents, chaque secteur angulaire étant formé au moins par pliage en accordéon de la bande tissée en une pluralité de plis parallèles, les plis de chaque secteur angulaire s’étendant suivant une première direction parallèle à la direction axiale et suivant une deuxième direction formant un angle inférieur à 75° par rapport à la direction radiale, de préférence inférieur à 45°, les plis de chaque secteur angulaire étant aiguilletés suivant une direction tangentielle à la périphérie externe du mandrin, - réalisation d’une deuxième couronne fibreuse sur la première couronne par bobinage d’une bande tissée sur plusieurs tours de manière à obtenir une ébauche fibreuse cylindrique, chaque tour de bande tissée étant aiguilleté suivant la direction radiale. L’ébauche fibreuse ainsi formée permet de former des préformes fibreuses de disques stators annulaires de freinage sans perte de matière. En effet, l’ébauche présentant une forme cylindrique, des préformes peuvent être extraites de l’ébauche fibreuse par simple tronçonnage de cette dernière. En outre, l’orientation des plis dans la première couronne fibreuse qui est destinée à former la partie annulaire interne du disque dans laquelle des tenons sont formés confère à la pièce finale une très bonne résistance mécanique vis-à-vis des efforts à reprendre lors du freinage. Par ailleurs, l’orientation des plis suivant la direction axiale dans les deux couronnes facilite la pénétration de la phase gazeuse à cœur des préformes lors de leur densification et permet, par conséquent, d’obtenir une densification plus homogène. Selon une caractéristique particulière du procédé de l’invention, la deuxième direction forme un angle inférieur à la mesure d’angle du secteur angulaire. Selon une autre caractéristique particulière du procédé de l’invention, celui-ci comprend en outre le recouvrement de la périphérie externe de chaque secteur angulaire par au moins un pli de la bande tissée s’étendant suivant une direction circonférentielle et l’aiguilletage dudit au moins un pli. Cela permet de renforcer la liaison par aiguilletage entre les première et deuxième couronnes fibreuses. Selon une autre caractéristique particulière du procédé de l’invention, le premier tour de bobinage de la bande tissée est aiguilleté avec un taux d’aiguilletage supérieur au taux d’aiguilletage appliqué sur le ou les tours suivants de la bande tissée. Cela permet de renforcer la liaison par aiguilletage entre les première et deuxième couronnes fibreuses. L’invention a également pour objet un procédé de fabrication de disques stators annulaires de freinage en matériau composite comprenant les étapes suivantes : - fabrication d’une ébauche fibreuse cylindrique conformément au procédé de fabrication d’une ébauche fibreuse cylindrique pour disques stators annulaires de freinage de l’invention, - tronçonnage de l’ébauche fibreuse en une pluralité de préformes fibreuses annulaires, - densification des préformes fibreuses annulaires par une matrice de manière à obtenir des disques annulaires en matériau composite comprenant un renfort fibreux constitué par un tronçon des première et deuxième couronnes fibreuses, - usinage de tenons dans la périphérie interne de chaque disque annulaire comprenant le tronçon de la première couronne fibreuse. Comme indiqué ci-avant, les disques de frein sont ici fabriqués sans perte de matière et présentent de très bonnes propriétés mécaniques grâce à l’orientation des plis fibreux présents dans le tronçon de la première couronne et grâce à une densification homogène. Selon une caractéristique particulière du procédé de l’invention, la bande tissée est réalisée avec des fibres de précurseurs de carbone, le procédé comprenant en outre une étape de carbonisation de l’ébauche fibreuse ou des préformes fibreuses annulaires. La présente invention propose, selon un deuxième aspect, un procédé de fabrication d’une ébauche fibreuse cylindrique pour disques rotors annulaires de freinage en matériau composite comprenant les étapes suivantes : - réalisation d’une première couronne fibreuse par bobinage sur plusieurs tours d’une bande tissée sur un mandrin s’étendant suivant une direction axiale et une direction radiale, la bande tissée étant aiguilletée au fur et à mesure de son enroulement, - réalisation d’une deuxième couronne fibreuse sur la première couronne, la deuxième couronne comprenant une pluralité de secteurs angulaires adjacents, chaque secteur angulaire étant formé au moins par pliage en accordéon de la bande tissée en une pluralité de plis parallèles, les plis de chaque secteur angulaire s’étendant suivant une première direction parallèle à la direction axiale et suivant une deuxième direction formant un angle inférieur à 75° par rapport à la direction radiale, de préférence inférieur à 45°, les plis de chaque secteur angulaire étant aiguilletés suivant une direction tangentielle à la périphérie externe du mandrin de manière à obtenir une ébauche fibreuse cylindrique. L’ébauche fibreuse ainsi formée permet de former des préformes fibreuses de disques rotors annulaires de freinage sans perte de matière. En effet, l’ébauche présentant une forme cylindrique, des préformes peuvent être extraites de l’ébauche fibreuse par simple tronçonnage de cette dernière. En outre, l’orientation des plis dans la deuxième couronne fibreuse qui est destinée à former la partie annulaire externe du disque dans laquelle des tenons sont formés confère à la pièce finale une très bonne résistance mécanique vis-à-vis des efforts à reprendre lors du freinage. Par ailleurs, l’orientation des plis suivant la direction axiale dans les deux couronnes facilite la pénétration de la phase gazeuse à cœur des préformes lors de leur densification et permet, par conséquent, d’obtenir une densification plus homogène. Selon une caractéristique particulière du procédé de l’invention, la deuxième direction forme un angle inférieur à la mesure d’angle du secteur angulaire. Selon une autre caractéristique particulière du procédé de l’invention, celui-ci comprend en outre le recouvrement de la périphérie interne de chaque secteur angulaire par au moins un pli de la bande tissée s’étendant suivant une direction circonférentielle et l’aiguilletage dudit au moins un pli. Cela permet de renforcer la liaison entre les première et deuxième couronnes. Selon une autre caractéristique particulière du procédé de l’invention, chaque secteur angulaire est en outre aiguilleté suivant une direction comprenant une composante radiale et une composante tangentielle. L’invention a encore pour objet un procédé de fabrication de disques rotors annulaires de freinage en matériau composite comprenant les étapes suivantes : - fabrication d’une ébauche fibreuse cylindrique conformément au procédé de fabrication d’une ébauche fibreuse cylindrique pour disques rotors annulaires de freinage de l’invention, - tronçonnage de l’ébauche fibreuse en une pluralité de préformes fibreuses annulaires, - densification des préformes fibreuses annulaires par une matrice de manière à obtenir des disques annulaires en matériau composite comprenant un renfort fibreux constitué par un tronçon des première et deuxième couronnes fibreuses, - usinage de tenons dans la périphérie externe de chaque disque annulaire comprenant le tronçon de la deuxième couronne fibreuse. Comme indiqué ci-avant, les disques de frein sont ici fabriqués sans perte de matière et présentent de très bonnes propriétés mécanique grâce à l’orientation des plis fibreux présents dans le tronçon de la deuxième couronne et grâce à une densification homogène. Selon une caractéristique particulière du procédé de l’invention, la bande tissée est réalisée avec des fibres de précurseurs de carbone, le procédé comprenant en outre une étape de carbonisation de l’ébauche fibreuse ou des préformes fibreuses annulaires. La est une vue schématique de face montrant la réalisation d’un secteur angulaire d’une couronne fibreuse selon un mode de réalisation de l’invention, La est une vue schématique en perspective du secteur angulaire de la , La est une vue schématique de face d’une couronne fibreuse formée par une pluralité de secteur angulaires, La est une vue schématique en perspective de la couronne fibreuse de la , La est une vue schématique de face montrant la réalisation d’une deuxième couronne fibreuse sur la couronne des figures 3 et 4, La est une vue schématique en perspective d’une ébauche fibreuse cylindrique selon un mode de réalisation de l’invention, La est une vue schématique en perspective d’une préforme fibreuse obtenue à partir de l’ébauche fibreuse de la , La est une vue schématique de face d’un disque stator de frein en matériau composite réalisé à partir de la préforme fibreuse de la , La est une vue schématique de face montrant la réalisation d’une couronne fibreuse selon un autre mode de réalisation de l’invention, La est une vue schématique en perspective de la couronne de la , La est une vue schématique de face montrant la réalisation d’un secteur angulaire d’une deuxième couronne fibreuse sur la couronne de la , La est une vue schématique de face montrant une deuxième couronne formée par une pluralité de secteurs angulaires sur la couronne de la , La est une vue schématique en perspective d’une ébauche fibreuse cylindrique selon un autre mode de réalisation de l’invention, La est une vue schématique en perspective d’une préforme fibreuse obtenue à partir de l’ébauche fibreuse de la , La est une vue schématique de face d’un disque rotor de frein en matériau composite réalisé à partir de la préforme fibreuse de la . Procédé de fabrication d’une ébauche fibreuse cylindrique (300) pour disques stators annulaires de freinage en matériau composite comprenant les étapes suivantes : - réalisation d’une première couronne fibreuse (100) à partir d’une bande tissée (10) sur un mandrin (20) s’étendant suivant une direction axiale (D A ) et une direction radiale (D R ), la première couronne comprenant une pluralité de secteurs angulaires adjacents (110), chaque secteur angulaire étant formé au moins par pliage en accordéon de la bande tissée (10) en une pluralité de plis parallèles (111), les plis de chaque secteur angulaire s’étendant suivant une première direction parallèle à la direction axiale (D A ) et suivant une deuxième direction formant un angle inférieur à 75° par rapport à la direction radiale, de préférence inférieur à 45° (D R ), les plis (111) de chaque secteur angulaire (110) étant aiguilletés suivant une direction tangentielle à la périphérie externe (20a) du mandrin (20), - réalisation d’une deuxième couronne fibreuse (200) sur la première couronne (100) par bobinage d’une bande tissée sur plusieurs tours de manière à obtenir une ébauche fibreuse cylindrique, chaque tour de bande de tissée étant aiguilleté suivant la direction radiale. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la deuxième direction forme un angle inférieur à la mesure d’angle du secteur angulaire. Procédé selon la revendication 1 ou 2, comprenant en outre le recouvrement de la périphérie externe de chaque secteur angulaire (110) par au moins un pli (112) de la bande tissée (10) s’étendant suivant une direction circonférentielle (D C ) et l’aiguilletage dudit au moins un pli. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le premier tour de bobinage de la bande tissée est aiguilleté avec un taux d’aiguilletage supérieur au taux d’aiguilletage appliqué sur le ou les tours suivants de la bande tissée. Procédé de fabrication de disques stators annulaires de freinage en matériau composite (50) comprenant les étapes suivantes : - fabrication d’une ébauche fibreuse cylindrique (300) conformément au procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, - tronçonnage de l’ébauche fibreuse en une pluralité de préformes fibreuses annulaires (310), - densification des préformes fibreuses annulaires par une matrice de manière à obtenir des disques annulaires en matériau composite (50) comprenant un renfort fibreux (60) constitué par un tronçon des première et deuxième couronnes fibreuses (100, 200), - usinage de tenons (51) dans la périphérie interne de chaque disque annulaire comprenant le tronçon de la première couronne fibreuse (100). Procédé selon la revendication 5, dans lequel la bande tissée (10) est réalisée avec des fibres de précurseurs de carbone, le procédé comprenant en outre une étape de carbonisation de l’ébauche fibreuse ou des préformes fibreuses annulaires. Procédé de fabrication d’une ébauche fibreuse cylindrique (600) pour disques rotors annulaires de freinage en matériau composite comprenant les étapes suivantes : - réalisation d’une première couronne fibreuse (400) par bobinage sur plusieurs tours d’une bande tissée (70) sur un mandrin (80) s’étendant suivant une direction axiale (D A ) et une direction radiale (D R ), la bande tissée étant aiguilletée au fur et à mesure de son enroulement, - réalisation d’une deuxième couronne fibreuse (500) sur la première couronne (400), la deuxième couronne comprenant une pluralité de secteurs angulaires adjacents (510), chaque secteur angulaire étant formé au moins par pliage en accordéon de la bande tissée (70) en une pluralité de plis parallèles (511), les plis de chaque secteur angulaire s’étendant suivant une première direction parallèle à la direction axiale (D A ) et suivant une deuxième direction formant un angle inférieur à 75° par rapport à la direction radiale (D R ), de préférence inférieur à 45°, les plis (511) de chaque secteur angulaire (510) étant aiguilletés suivant une direction tangentielle à la périphérie externe du mandrin (70) de manière à obtenir une ébauche fibreuse cylindrique. Procédé selon la revendication 7, dans lequel la deuxième direction forme un angle inférieur à la mesure d’angle du secteur angulaire. Procédé selon la revendication 7 ou 8, comprenant en outre le recouvrement de la périphérie interne de chaque secteur angulaire (510) par au moins un pli (512) de la bande tissée (70) s’étendant suivant une direction circonférentielle (D C ) et l’aiguilletage dudit au moins un pli. Procédé selon l’une quelconque des revendications 7 à 9, dans lequel chaque secteur angulaire (510) est en outre aiguilleté suivant une direction comprenant une composante radiale et une composante tangentielle. Procédé de fabrication de disques rotors annulaires de freinage en matériau composite comprenant les étapes suivantes : - fabrication d’une ébauche fibreuse cylindrique (600) conformément au procédé selon l’une quelconque des revendications 7 à 10, - tronçonnage de l’ébauche fibreuse en une pluralité de préformes fibreuses annulaires (610), - densification des préformes fibreuses annulaires par une matrice de manière à obtenir des disques annulaires en matériau composite (150) comprenant un renfort fibreux (160) constitué par un tronçon des première et deuxième couronnes fibreuses (400, 500), - usinage de tenons (151) dans la périphérie externe de chaque disque annulaire comprenant le tronçon de la deuxième couronne fibreuse (500). Procédé selon la revendication 11, dans lequel la bande tissée (70) est réalisée avec des fibres de précurseurs de carbone, le procédé comprenant en outre une étape de carbonisation de l’ébauche fibreuse ou des préformes fibreuses annulaires.