Brevet FR3148159A1 — publié le 20241101

Procédé de fabrication d’un assemblage de deux pièces en matériau composite à matrice organique co-densifiées L’invention concerne un procédé de fabrication d’un assemblage, comprenant : - la formation d’un ensemble (1) comprenant deux textures (3 ; 5) fibreuses superposées, et au moins un élément (10) d’espacement présent sur une interface (7) entre les deux textures et définissant des canaux (12) d’écoulement mettant en communication les deux textures, - la mise en forme dudit ensemble par application d’une pression (PC) de compression, et - la co-densification des textures de l’ensemble ainsi mis en forme comprenant l’injection d’une résine (20) dans une porosité de ces textures, la résine s’écoulant dans les canaux d’écoulement de l’élément d’espacement pour relier les textures sur l’interface, ledit élément d’espacement étant (i) en matériau polymérique ayant une température Tg de transition vitreuse supérieure à une température Tr de la résine introduite dans la cavité de moulage, ou (ii) en matériau métallique. Figure pour l’abrégé : Fig. 2. Procédé de fabrication d’un assemblage de deux pièces en matériau composite à matrice organique co-densifiées La présente invention concerne un procédé de fabrication d’un assemblage comprenant deux pièces en matériau composite à matrice organique co-densifiées dans lequel l’épaisseur de l’interface entre les deux pièces est maîtrisée. Il est connu de réaliser des assemblages de pièces en matériau composite par co-densification durant lesquels deux textures sont positionnées l’une sur l’autre dans une cavité de moulage, et une pression de compression est exercée sur l’ensemble lors de la fermeture du moule. Un matériau de matrice est alors introduit de sorte à densifier les textures et assurer leur solidarisation par formation d’une matrice commune. La technique de co-densification permet avantageusement de s’affranchir de l’emploi d’un matériau d’adhésion tiers pour réaliser l’assemblage et de simplifier ainsi la fabrication. Néanmoins, il peut subsister une certaine variabilité dans la tenue mécanique des assemblages ainsi obtenus. La présente invention concerne un procédé de fabrication d’un assemblage comprenant deux pièces en matériau composite à matrice organique co-densifiées, comprenant : - la formation d’un ensemble comprenant deux textures fibreuses superposées, correspondant chacune au renfort fibreux d’une des pièces à obtenir, et au moins un élément d’espacement présent sur une interface entre les deux textures et définissant des canaux d’écoulement mettant en communication les deux textures, ledit ensemble étant présent dans une cavité de moulage, - la mise en forme dudit ensemble dans la cavité de moulage par application d’une pression de compression, et - la co-densification des textures de l’ensemble ainsi mis en forme comprenant l’injection d’une résine dans une porosité de ces textures, la résine s’écoulant dans les canaux d’écoulement de l’élément d’espacement pour relier les textures sur l’interface, ledit élément d’espacement étant (i) en matériau polymérique ayant une température Tg de transition vitreuse supérieure à une température Tr de la résine introduite dans la cavité de moulage, ou (ii) en matériau métallique. La température Tg de transition vitreuse peut être déterminée par calorimétrie différentielle à balayage (« Differential Scanning Calorimetry » ; « DSC »). Sauf mention contraire, la température Tr de la résine introduite dans la cavité de moulage est prise au moment de l’introduction de la résine dans la cavité de moulage. Les inventeurs ont constaté que les techniques de l’art antérieur conduisaient à une épaisseur de l’interface entre les deux pièces qui n’était pas maîtrisée lors de la co-densification dans la cavité de moulage. La illustre une interface 16 entre deux textures 14, 30 obtenue dans le cadre de l’art antérieur qui présente une épaisseur irrégulière avec notamment des zones Z1, Z2 d’interface ayant des quantités de matière significativement différentes. L’invention propose l’emploi d’un élément d’espacement qui est stable lors de la co-densification, c’est-à-dire que ses dimensions et sa forme ne sont pas sensiblement pas altérées, afin de maîtriser l’épaisseur de l’interface et limiter ainsi la variabilité de la tenue mécanique des assemblages obtenus. Pour assurer cette stabilité, l’élément d’espacement est choisi en matériau métallique, ou en matériau polymérique de température de transition vitreuse supérieure à la température de la résine introduite. Dans un exemple de réalisation, l’élément d’espacement est en matériau polymérique et vérifie la condition Tg ≥ Tr + 10°C. Une telle caractéristique permet d’améliorer davantage encore le contrôle de l’épaisseur de l’interface. Dans un exemple de réalisation, l’élément d’espacement a une structure alvéolaire, ayant par exemple une forme de grille. Une telle caractéristique concerne des éléments d’espacement de structure aérée qui ne pénalisent pas la masse de l’assemblage obtenu. Dans un exemple de réalisation, l’élément d’espacement comprend une première couche définissant des premières zones de manque de matière, et une deuxième couche, recouverte par cette dernière, définissant des deuxièmes zones de manque de matière en recouvrement partiel avec les premières zones de manque de matière et définissant ensemble au moins un tronçon des canaux d’écoulement. Une telle caractéristique participe à améliorer l’homogénéité de l’écoulement de résine et la qualité de la densification, améliorant ainsi davantage encore les propriétés mécaniques de l’assemblage. Le recouvrement partiel peut également permettre d’ajuster la vitesse d’écoulement de la résine en fonction du besoin en termes d’injection. Dans un exemple de réalisation, l’élément d’espacement comprend deux faces chacune en contact d’une texture distincte, chaque face présentant des ouvertures ayant une dimension inférieure ou égale à la moitié du diamètre des torons de peau de la texture en contact. Une telle caractéristique permet d’éviter tout risque de déformer les textures au niveau de l’interface. On notera que l’élément d’espacement peut être en une seule pièce, ou en variante être formé de la réunion de plusieurs unités d’espacement définissant chacune des zones de contact avec les textures. Dans ce cas, le positionnement de ces unités peut être réalisé de sorte à éviter tout risque de déformer les textures au niveau de l’interface. D’une manière générale, l’élément d’espacement peut définir des zones de contact continues avec les textures (contact surfacique), ou discontinues avec par exemple une pluralité de contacts ponctuels. Dans un exemple de réalisation, au moins une face de l’élément d’espacement en contact avec une texture a une surface plane. En variante ou en combinaison, au moins une face de l’élément d’espacement en contact avec une texture a une surface incurvée. En variante ou en combinaison, au moins une face de l’élément d’espacement en contact avec une texture a une surface rugueuse. En variante ou en combinaison, au moins une face de l’élément d’espacement en contact avec une texture épouse parfaitement une surface de ladite texture. Dans un exemple de réalisation, une épaisseur de l’élément d’espacement est supérieure ou égale à 700 µm, par exemple supérieure ou égale à 1 mm, voire supérieure ou égale à 2 mm. Une telle caractéristique trouve un intérêt particulier dans le cas de pièces soumises à un fort taux de cisaillement afin de limiter la concentration de contraintes. Dans un exemple de réalisation, le procédé comprend en outre la fabrication par fabrication additive de l’élément d’espacement, avant la formation dudit ensemble. Une telle caractéristique permet avantageusement d’accéder à une large variété de géométries pour l’élément d’espacement. Dans un exemple de réalisation, les textures fibreuses sont en fils de carbone. Dans un exemple de réalisation, les textures fibreuses sont obtenues par tissage tridimensionnel. Dans un exemple de réalisation, une première texture fibreuse forme une âme ayant une forme élancée et comprenant deux extrémités longitudinales, et une deuxième texture fibreuse forme une ceinture définissant une boucle autour de l’âme de sorte à définir, aux extrémités longitudinales, des espaces libres destinés à une articulation avec d’autres pièces, au moins un élément d’espacement tel que décrit plus haut étant positionné de manière adjacente à chacune de ces extrémités longitudinales. La zone adjacente aux espaces libres est la plus sollicitée mécaniquement car au plus proche des concentrations de contraintes. L’invention trouve un intérêt particulier dans cette application afin d’optimiser les performances mécaniques de la pièce et améliorer la tenue sur cette zone en maîtrisant l’épaisseur de l’interface entre les textures. Bien entendu, l’invention n’est pas limitée à un type d’assemblage en particulier comme cela sera apparent de la description fournie ci-dessous. Brève description des dessins La représente, de manière schématique et partielle, une interface non maîtrisée lors de la co-densification réalisée avec une technique de l’art antérieur. La représente, de manière schématique et partielle, un exemple d’ensemble utilisable dans le cadre de l’invention. La représente, de manière schématique et partielle, l’ensemble de la mis en forme par application d’une pression de compression lors de la fermeture du moule. La correspond à un détail de l’élément d’espacement mis en œuvre aux figures 2 et 3 dans la zone A. La est une photographie d’un exemple d’élément d’espacement utilisable dans le cadre de l’invention. La représente, de manière schématique et partielle, l’assemblage obtenu après co-densification de l’ensemble illustré aux figures 2 et 3. La représente, de manière schématique et partielle, une variante d’ensemble utilisable dans le cadre de l’invention. La représente, de manière schématique et partielle, une vue d’une variante d’élément d’espacement selon un premier plan de coupe. La représente, de manière schématique et partielle, une vue de la variante de la selon un deuxième plan de coupe. L’invention est à présent décrite au moyen de figures, présentes à but descriptif pour illustrer certains modes de réalisation de l’invention et qui ne doivent pas être interprétées comme limitant cette dernière. La illustre un exemple d’ensemble 1 positionné sur un contre-moule 11. L’ensemble 1 comprend une première texture 3 qui est superposée à une deuxième texture 5 le long d’une interface 7. Les textures 3, 5 sont superposées selon une direction D. Les textures 3, 5 peuvent être formées de fils de carbone. Les textures 3, 5 peuvent être obtenues à partir d’au moins une opération textile, par exemple par tissage tridimensionnel, de manière connue en soi. Les textures 3, 5 sont destinées à former le renfort fibreux de l’assemblage à obtenir. L’ensemble 1 comprend, en outre, un élément d’espacement 10 qui est présent sur l’interface 7. L’élément 10 est intercalé entre les textures 3, 5 et permet de les maintenir à une distance contrôlée dans l’assemblage. L’élément 10 présente deux faces opposées 10a et 10b qui sont chacune en contact avec une texture 3, 5 respective. L’élément 10 définit des canaux d’écoulement 12 qui s’étendent entre les faces 10a et 10b de sorte à mettre en communication les textures 3, 5 et permettre à la résine de s’écouler d’une texture à une autre. Les figures 2 et 3 ne sont pas à l’échelle en ce qui concerne notamment les dimensions de l’élément 10 et la taille des canaux 12 pour des raisons de lisibilité. Les faces 10a, 10b s’étendent transversalement, par exemple perpendiculairement, à la direction D. Les canaux 12 s’étendent transversalement, par exemple perpendiculairement aux faces 10a, 10b. L’élément 10 mis en œuvre dans l’exemple considéré à une forme de grille du type de celle illustrée à la . L’élément 10 présente ainsi des zones de manque de matière, formant ici des alvéoles, qui définissent les canaux 12. De manière générale, l’élément 10 peut avoir une structure alvéolaire avec un taux volumique de zones de manque de matière supérieur ou égal à 70%, par exemple supérieur ou égal à 80%. Selon une réalisation préférentielle, l’élément 10 est formé par fabrication additive de sorte à pouvoir accéder à une large gamme de géométries. Comme illustré à la qui représente un agrandissement de la zone A, l’élément 10 est formé d’une superposition de plusieurs couches 103, 104 et 105 ayant chacune une forme de grille. Les faces 10a, 10b présentent des ouvertures 113, 115 qui ont ici une dimension D113, D115 inférieure ou égale à la moitié du diamètre des torons de peau de la texture 3, 5 en contact. Dans l’exemple considéré, les zones de manque de matière de chacune des couches 103-105 se recouvrent exactement mais l’on ne sort pas du cadre de l’invention lorsque ce n’est pas le cas, comme cela sera illustré en lien avec les figures 8 et 9. A titre d’exemple, l’élément 10 peut être réalisé par fusion de filament ou stéréolithographie. Il sera avantageux d’utiliser un polymère thermoplastique afin de réaliser un élément 10 en matériau polymérique par fabrication additive, mais un élément 10 métallique peut également être formé par cette technique. A ce titre, La fabrication additive peut être particulièrement d’intérêt pour donner aux canaux 12 une forme complexe, ou pour faire varier localement l’épaisseur de l’élément 10 par variation du nombre de couches constitutives. Selon une variante, l’élément 10 n’est pas formé par fabrication additive mais par moulage. Comme illustré à la , un moule 13 est positionné sur le contre-moule 11 de sorte à définir une cavité CM de moulage dans laquelle l’ensemble 1 est présent. Le moule 11 comprend un ou plusieurs ports 15 au travers de laquelle une résine est destinée à être injectée dans la cavité CM. En variante ou en combinaison, un ou plusieurs ports pourraient être ménagés dans le contre-moule 11. L’étanchéité de la cavité CM peut être assurée par un joint 17 d’étanchéité présent entre le moule 13 et le contre-moule 11. Le positionnement du moule 13 permet de fermer la cavité CM et d’appliquer une pression PC de compression sur l’ensemble 1. De la sorte, l’ensemble 1 peut être mis à la forme de l’assemblage à obtenir en ajustant en particulier les épaisseurs e3 et e5 des textures 3, 5. Les épaisseurs e3 et e5 sont réduites lors de la mise en forme comme illustré à la , par exemple d’au moins 20%. En revanche, l’épaisseur e7 de l’interface 7 (qui correspond également à l’épaisseur de l’élément 10) ne varie pas sensiblement lors de la mise en forme. On pourra avantageusement choisir un matériau pour l’élément 10 ayant une raideur supérieure à celle des textures le long de la direction d’application de la pression PC de compression, de sorte à éviter tout risque que l’élément 10 ne soit altéré lors de la fermeture du moule. D’une manière générale, l’élément 10 peut être formé d’un matériau polymérique, par exemple thermoplastique, ou métallique. Dans le cas d’un élément 10 métallique, les matériaux sont choisis pour éviter un couplage galvanique avec les fibres des textures, ou en prévoyant sur les fibres un revêtement isolant, par exemple en verre, pour éviter ce phénomène. Une fois le moule 13 refermé, une résine 20 est injectée dans la cavité CM au travers du port 15 et remplit la porosité des textures 3, 5 en s’écoulant en particulier au travers des canaux 12 pour passer d’une texture 3 à l’autre 5. Ainsi, la résine 20, une fois solidifiée pour former la matrice organique, permet de lier ensemble les textures 3, 5 pour réaliser l’assemblage. On veillera bien entendu à choisir l’élément 10 de sorte à ce qu’il soit compatible chimiquement avec la résine 20 employée, et en particulier non réactif ou non altéré au contact de cette dernière. Le matériau de l’élément 10 est choisi de sorte à être compatible thermiquement de la méthode employée. Ainsi dans le cas où un matériau polymérique est mis en œuvre, ce dernier a une température de transition vitreuse Tg supérieure à la température Tr de la résine 20 introduite dans la cavité CM, vérifiant avantageusement la condition Tg ≥ Tr + 10°C. Dans le cas où une résine thermodurcissable est employée et que celle-ci est réticulée, après l’injection, par cuisson à une température Tc supérieure à Tr, la température Tg peut également être supérieure à la température Tc. En alternative, l’élément 10 est en matériau métallique ce qui lui confère une stabilité thermique suffisante par rapport aux températures typiquement employées pour introduire la résine et la faire éventuellement réticuler. De la sorte, l’épaisseur de l’interface 7 est garantie durant la fabrication de l’assemblage. A titre d’exemple, la résine 20 peut être la résine époxy commercialisée sous la référence CYCOM® PR 520N RTM par la société Solvay, et l’élément 10 peut être en polyéthylèneimine (PEI). On pourrait en variante utiliser du polyéthercétonecétone (PEKK) pour l’élément 10 . La illustre l’assemblage 50 obtenu par co-densification après injection de la résine 20, et éventuelle réticulation, de sorte à former une matrice organique 40 qui densifie les textures 3, 5 et les relie mécaniquement au travers de l’interface 7. La matrice 40 est en particulier présente au travers des canaux 12 de l’élément 10 de sorte à assurer cette liaison mécanique. L’élément 10 fait partie intégrante de l’assemblage 50 obtenu. L’élément 10 est noyé dans la matrice 40. La matrice 40 densifie la majorité (plus de 50%), par exemple au moins 80%, voire sensiblement la totalité, du volume de la porosité des textures 3, 5 et des canaux 12. La dimension, en particulier l’épaisseur, et la forme de l’élément d’espacement ne sont pas altérés de sorte à garantir une interface 7 d’épaisseur régulière entre les deux pièces à la différence des techniques de l’art antérieur. L’assemblage 50 est sorti de la cavité CM après formation de la matrice 40, en vue d’un stockage ou d’un montage à d’autres éléments. L’assemblage 50 peut former une pièce d’aéronef, comme une pièce d’un train d’atterrissage d’aéronef mais l’on reconnaîtra que d’autres applications sont possibles. A titre d’exemple, la représente une variante d’ensemble 100 qui est destiné à former un assemblage destiné à être articulé à d’autres pièces à ses extrémités. L’assemblage considéré ici est destiné à faire partie intégrante d’un train d’atterrissage d’aéronef, il peut s’agir d’une bielle, d’une contre-fiche de train d’atterrissage ou d’un élément constitutif de celle-ci, ou encore d’une barre de frein. L’ensemble 100 comprend ici une première texture fibreuse 300 qui forme une âme ayant une forme élancée et comprenant deux extrémités longitudinales 301, 302, et une deuxième texture fibreuse 500 qui forme une ceinture définissant une boucle autour de l’âme de sorte à définir, aux extrémités longitudinales, des espaces libres 401, 402 destinés à une articulation avec d’autres pièces, au moins un élément d’espacement 10 tel que décrit plus haut étant positionné de manière adjacente aux espaces libres 401, 402. On vient de décrire le cas d’un élément d’espacement 10 multicouches dont les manques de matière des couches se recouvrement exactement pour ménager les canaux 12 d’écoulement de la résine 20. L’exemple qui va être décrit dans la suite, en lien avec les figures 8 et 9, concerne un autre type d’élément 101 d’espacement dans lequel la matière des couches superposées est disposée en quinconce. Ainsi, l’élément d’espacement 101 a structure multi-couches, chacune des couches 131-135 ayant une forme de grille, mais avec un décalage entre différentes couches superposées de sorte que la résine 20 puisse s’écouler le long de la direction D mais également dans le plan P de dépôt de l’élément 101, comme illustré sur la . L’élément 101 comprend ici cinq couches 131, 132, 133, 134 et 135 qui définissent chacune une grille en décalage avec la ou les couches adjacentes. Le plan de coupe de la contient des filaments des couches 132 et 134 qui définissent chacun un côté des motifs alvéolaires des grilles respectives. Le plan de coupe de la est intermédiaire entre deux côtés opposés des motifs alvéolaires. L’élément 101 comprend une première couche 131 définissant des premières zones 141 de manque de matière, et une deuxième couche 133, recouverte par cette dernière, définissant des deuxièmes zones 143 de manque de matière en recouvrement partiel avec les premières zones 141 de manque de matière et définissant ensemble au moins un tronçon des canaux 12 d’écoulement de la résine. Le recouvrement surfacique entre les zones de manque de matière 141 et 143 peut être compris entre 20% et 80%. L’exemple illustré comprend une troisième couche 135 définissant des troisièmes zones 145 de manque de matière, recouverte par les première 131 et deuxième 133 couches, en recouvrement partiel avec les deuxièmes zones 143 de manque de matière, permettant également de définir un tronçon des canaux 12. Le recouvrement surfacique entre les zones de manque de matière 143 et 145 peut être compris entre 20% et 80%. Les exemples qui viennent d’être décrits correspondent à des ensembles comprenant exactement deux textures fibreuses superposées mais la personne du métier reconnaîtra que l’on ne sort pas du cadre de l’invention si plus de deux textures superposées sont co-densifiées en mettant en œuvre le principe de l’invention avec présence d’un ou plusieurs éléments d’espacement sur une interface entre chaque couple de textures adjacentes. L’expression « compris(e) entre … et … » doit se comprendre comme incluant les bornes. Procédé de fabrication d’un assemblage (50) comprenant deux pièces en matériau composite à matrice organique co-densifiées, comprenant : - la formation d’un ensemble (1 ; 100) comprenant deux textures (3 ; 5 ; 300 ; 500) fibreuses superposées, correspondant chacune au renfort fibreux d’une des pièces à obtenir, et au moins un élément (10 ; 101) d’espacement présent sur une interface (7) entre les deux textures et définissant des canaux (12) d’écoulement mettant en communication les deux textures, ledit ensemble étant présent dans une cavité (CM) de moulage, - la mise en forme dudit ensemble dans la cavité de moulage par application d’une pression (PC) de compression, et - la co-densification des textures de l’ensemble ainsi mis en forme comprenant l’injection d’une résine (20) dans une porosité de ces textures, la résine s’écoulant dans les canaux d’écoulement de l’élément d’espacement pour relier les textures sur l’interface, ledit élément d’espacement étant (i) en matériau polymérique ayant une température Tg de transition vitreuse supérieure à une température Tr de la résine introduite dans la cavité de moulage, ou (ii) en matériau métallique. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l’élément d’espacement (10 ; 101) est en matériau polymérique et vérifie la condition Tg ≥ Tr + 10°C. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel l’élément d’espacement (10 ; 101) a une structure alvéolaire. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l’élément d’espacement (101) comprend une première couche (131) définissant des premières zones (141) de manque de matière, et une deuxième couche (133), recouverte par cette dernière, définissant des deuxièmes zones (143) de manque de matière en recouvrement partiel avec les premières zones de manque de matière et définissant ensemble au moins un tronçon des canaux (12) d’écoulement. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel l’élément d’espacement (10 ; 101) comprend deux faces (10a ; 10b) chacune en contact d’une texture (3 ; 5 ; 300 ; 500) distincte, chaque face présentant des ouvertures (113 ; 115) ayant une dimension (D113 ; D115) inférieure ou égale à la moitié du diamètre des torons de peau de la texture en contact. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel une épaisseur (e7) de l’élément d’espacement (10 ; 101) est supérieure ou égale à 700 µm. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le procédé comprend en outre la fabrication par fabrication additive de l’élément d’espacement (10 ; 101), avant la formation dudit ensemble (1 ; 100). Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel les textures fibreuses (3 ; 5 ; 300 ; 500) sont en fils de carbone. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel les textures fibreuses (3 ; 5 ; 300 ; 500) sont obtenues par tissage tridimensionnel. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel une première texture (300) fibreuse forme une âme ayant une forme élancée et comprenant deux extrémités longitudinales (301 ; 302), et une deuxième texture (500) fibreuse forme une ceinture définissant une boucle autour de l’âme de sorte à définir, aux extrémités longitudinales, des espaces libres (401 ; 402) destinés à une articulation avec d’autres pièces, au moins un élément d’espacement (10) tel que défini dans l’une quelconque des revendications 1 à 9 étant positionné de manière adjacente à chacune de ces extrémités longitudinales.