Brevet FR3159924A1 — publié le 20250912

Procédé de fabrication d’une préforme fibreuse de disque de frein à durée de vie améliorée L’invention concerne un la fabrication d’un renfort fibreux d’un disque de frein composite, comprenant : - la réalisation (E10) de portions fibreuses (11), chacune destinée à définir une face (F1) frottante distincte du disque de frein, par technique de placement de fibre sur mesure dans laquelle, pour chacune des portions, des fibres de carbone ou de précurseur de carbone sont déposées sur un substrat et cousues à ce dernier par un fil de couture en carbone ou en matériau polymérique, - le positionnement (E20) d’une portion fibreuse (13) intermédiaire, destinée à définir une zone non frottante du disque de frein, entre les portions, et - l’assemblage (E30) de la portion fibreuse (13) intermédiaire aux portions fibreuses (11). Figure pour l’abrégé : Fig. 1. Procédé de fabrication d’une préforme fibreuse de disque de frein à durée de vie améliorée Le présent exposé concerne un procédé de fabrication d’une préforme fibreuse d’un disque de frein dans lequel au moins les zones frottantes sont réalisées par technique de placement de fibre sur mesure (désignée en langue anglaise par l’expression « Tailored Fiber Placement » ; « TFP ») de sorte à augmenter le taux de fibres en Z et la capacité de dissipation thermique en fonctionnement. L’invention concerne également la fabrication d’un disque de frein associé. Il est souhaitable de disposer de disques de frein dont la durée de vie est améliorée. Le présent exposé concerne un procédé de fabrication d’une préforme fibreuse destinée à former le renfort fibreux d’un disque de frein en matériau composite, comprenant : - la réalisation d’une première portion fibreuse et d’une deuxième portion fibreuse, chacune destinée à définir une face frottante distincte du disque de frein, par technique de placement de fibre sur mesure dans laquelle, pour chacune des première et deuxième portions, des fibres de carbone ou de précurseur de carbone sont déposées sur un substrat et cousues à ce dernier par un fil de couture en carbone ou en matériau polymérique, - le positionnement d’une portion fibreuse intermédiaire, destinée à définir une zone non frottante du disque de frein, entre la première et la deuxième portions fibreuses, et - l’assemblage de la portion fibreuse intermédiaire aux première et deuxième portions fibreuses. La technique de placement de fibre sur mesure sera désignée par « technique TFP » dans la suite. L’invention concerne l’emploi de la technique TFP pour la fabrication de faces frottantes du disque de frein en choisissant, pour les fils de couture, des fils en carbone ou en matériau polymérique qui permettent d’augmenter le taux de fibres en Z et ainsi de disposer de davantage de canaux de dissipation thermique pour limiter l’échauffement du disque en fonctionnement, et augmenter ainsi sa durée de vie. Les fils de couture ont une composante en Z et permettent, de par leur seule présence, d’augmenter le taux de fibres en Z. Les matériaux employés pour ces fils leur confèrent également la capacité d’être transférés en Z et, sans que l’invention ne soit limitée à cette variante, l’assemblage à la portion non frottante peut être réalisé par transfert en Z des fils de couture, comme cela sera détaillé plus bas. En outre, la mise en œuvre de la technique TFP permet avantageusement de réduire les pertes de matière et les usinages supplémentaires lors de la fabrication de la préforme par rapport au cas où les disques sont découpés dans un bloc de matière obtenu au préalable. La technique TFP permet d’obtenir directement après dépôt la forme finale ou une forme très proche de celle-ci (« near-net shape »). Dans un exemple de réalisation, l’assemblage est réalisé par aiguilletage. L’aiguilletage permet de transférer en Z les fils de couture. En particulier, chacune des première et deuxième portions peut présenter, après l’assemblage, un taux de fils de couture transférés en Z compris entre 1% et 8%. Cette caractéristique correspond à la contribution des fils de couture, utilisés dans la technique TFP, au taux de fibres en Z. Le taux de fibres en Z (noté TFZ) dans une zone donnée est une grandeur connue de l’homme du métier, elle correspond au volume de fibres s’étendant le long de l’épaisseur de la préforme (direction Z) rapporté au volume de la préforme. Le taux de fibres en Z peut être déterminé par analyse morphologique (analyse d’images). Dans ce cas, on réalise des coupes dans le plan XY, les fibres sont donc transverses à ce plan et l’on compte la surface des fibres afin de déduire le taux de fibres en Z. Le taux de fibre en Z correspond à la somme des sections de fibres en Z sur la surface totale de la zone analysée (fibres + porosité). On peut également utiliser une analyse tomographique (méthode non destructrice) pour déterminer le taux de fibres en Z. L’invention n’est toutefois pas limitée à la réalisation d’un assemblage par aiguilletage et d’autres techniques peuvent être utilisées. Ainsi l’assemblage peut être réalisé par touffetage (« tufting ») selon une variante de l’invention. Dans un exemple de réalisation, les fils de couture sont en carbone. En variante, les fils de couture sont en polymère précurseur de carbone. Dans un exemple de réalisation, le substrat est un voile de carbone ou d’un matériau précurseur de carbone. Le présent exposé concerne également un procédé de fabrication d’un disque de frein en matériau composite, comprenant (a) la fabrication d’une préforme fibreuse par mise en œuvre d’un procédé tel que décrit plus haut, et (b) la densification de la préforme par une matrice. Le disque de frein peut être en matériau composite carbone/carbone. Le disque de frein peut équiper un véhicule, comme un aéronef, par exemple un avion ou un hélicoptère. Brève description des dessins FIG. 1 La FIG. 1 est un ordinogramme illustrant une succession d’étapes dans le cadre d’un exemple de procédé selon l’invention. FIG. 2 La FIG. 2 illustre, de manière schématique, une section d’un exemple de première ou deuxième portion fibreuse utilisable dans le cadre de l’invention prise le long de son épaisseur. FIG. 3 La FIG. 3 illustre, de manière schématique, la réalisation de la première ou de la deuxième portion fibreuse par technique TFP. FIG. 4 La FIG. 4 illustre, de manière schématique, le positionnement de la portion fibreuse intermédiaire entre les première et deuxième portions fibreuses. FIG. 5 La FIG. 5 illustre, de manière schématique, une section d’un exemple de préforme fibreuse selon l’invention prise le long de son épaisseur. 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 première portion fibreuse et la deuxième portion fibreuse, chacune destinée à définir une face frottante distincte du disque de frein, sont réalisées par technique TFP (étape E10). Lors de la réalisation de chacune des première et deuxième portions, des fibres sont déposées sur un substrat et cousues à ce dernier par un fil de couture en carbone ou en matériau polymérique. La FIG. 2 illustre, de manière schématique, une portion 11 fibreuse destinée à définir une face frottante (première ou deuxième portion fibreuse précitée) obtenue par technique TFP. La portion 11 comprend plusieurs couches fibreuses 111 superposées cousues à un même substrat. Le substrat n’a pas été représenté à la FIG. 2 . La réalisation de la portion 11 par mise en œuvre de la technique TFP est illustrée à la FIG. 3 . Une mèche 111a, formée d’une pluralité de filaments, est déposée sur un substrat S tout en étant cousue à ce dernier par un fil 111b de couture au fur et à mesure de son dépôt. La mèche 111a est déroulée au travers d’un élément EG de guidage qui présente ici deux ouvertures OEG1, OEG2 qui sont successivement traversées par la mèche 111a à déposer. Une aiguille A de couture animée d’un mouvement transverse au substrat S, et entraînant le fil 111b, réalise la couture de la mèche 111a au substrat S. La mèche 111a cousue est déposée dans un plan P défini par les directions X et Y de sorte à former une première couche 111. Au sein d’une même couche 111, la mèche 111a cousue peut être orientée selon une seule direction, ou selon plusieurs directions distinctes comme dans l’exemple illustré à la FIG. 3 . Le dépôt de la mèche 111a est poursuivi de sorte à obtenir l’intégralité de la surface souhaitée pour la couche 111. Une fois une première couche 111 achevée, le dépôt d’une deuxième couche 111 recouvrant la première couche 111 est initié et réalisé de manière similaire à ce qui vient d’être décrit. Le procédé est ainsi poursuivi, avec le nombre de couches 111 souhaité. On empile ainsi plusieurs épaisseurs de mèche 111a pour former la portion 11. Les orientations de la mèche 111a entre deux couches 111 distinctes peuvent être identiques ou différentes. Les première et deuxième portions fibreuses 11 sont positionnées de part et d’autre d’une portion fibreuse intermédiaire 13 qui est destinée à définir une zone non frottante du disque de frein (étape E20, FIG. 4 ). La portion 13 peut également avoir été obtenue par technique TFP, ou par une technique conventionnelle de superposition et aiguilletage de nappes fibreuses. Le substrat S sur lequel chaque portion 11 a été cousue n’est pas illustré à la FIG. 4 . Ce substrat S peut être formé d’une matière destinée à rester dans le disque de frein obtenu après densification par une matrice. Ainsi le substrat S peut être un voile de carbone ou d’un matériau précurseur de carbone comme du polyacrylonitrile oxydé ou non oxydé. Selon une variante, le substrat S peut être en matériau fugitif destiné à être éliminé lors d’un traitement thermique subséquent à la formation du renfort fibreux. Dans ce cas, le substrat S peut être un voile d’alcool polyvinylique (PVA). La portion 13 comprend plusieurs couches fibreuses 131 superposées. Les couches 131 peuvent être des couches fibreuses unidirectionnelles ou multi-directionnelles. La portion intermédiaire peut comprendre une zone circonférentielle périphérique comprenant au moins des zones 14 de tenon. Les fibres formant les portions 11 et 13 peuvent être des fibres de carbone, par exemple des fibres de carbone commercialisées sous la référence HexTow® AS4, ou des fibres d’un précurseur de carbone comme du polyacrylonitrile éventuellement oxydé ou non. On peut alors procéder à l’assemblage de la portion 13 aux portions 11 par transfert en Z de fibres 15 provenant des portions 11 et/ou 13 (étape E30, FIG. 5 ). Ce transfert est réalisé par mise en œuvre de techniques connues en soi comme l’aiguilletage. L’aiguilletage est une méthode de liage mécanique connue en soi dans laquelle une structure fibreuse est traversée avec des aiguilles à barbes auxquelles les fibres s’accrochent. Cela aboutit à un transfert de fibres d’une couche fibreuse à une autre dans la direction Z, c’est-à-dire le long de l’épaisseur de la préforme, créant ainsi des liaisons mécaniques entre les couches fibreuses dans cette direction. Selon une variante, l’assemblage (E30, FIG. 5 ) de la portion 13 aux portions 11 est réalisé par touffetage, étant entendu que les techniques d’aiguilletage et de touffetage peuvent être combinées. On obtient ainsi la préforme 1 de disque de frein illustrée à la FIG. 5 . La préforme fibreuse 1 peut avoir une forme annulaire autour d’un orifice central 20 traversant. Les portions 11 sont chacune destinées à définir une face frottante distincte F1 du disque de frein. Les portions 11 sont des portions superficielles de la préforme fibreuse 1. L’épaisseur e11 de chacune des portions 11 peut être comprise entre 10% et 25%, par exemple entre 15% et 25%, de l’épaisseur totale e1 de la préforme fibreuse 1. L’épaisseur e11 peut être comprise entre 2 mm et 20 mm. La portion 13 peut définir la partie centrale de l’épaisseur de la préforme fibreuse 1. La FIG. 5 illustre des fils d’assemblage verticaux 15 s’étendant le long de la direction Z, par exemple sur toute l’épaisseur de la préforme fibreuse 1, qui permettent d’assembler les couches 111 des portions 11 aux couches 131 de la portion 13. Comme visible sur la FIG. 5 , la portion 13 présente une plus grande dimension supérieure à une plus grande dimension des portions 11, définissant ainsi des zones de tenon 14 qui dépassent des portions 11 (voir FIG. 5 ). Les zones de tenon 14 sont destinées à définir des tenons du disque de frein coopérant avec les crans de la roue à freiner. Sauf mention contraire, les plus grandes dimensions sont prises perpendiculairement à la direction Z. L’épaisseur e13 de la portion 13 peut être supérieure à l’épaisseur de chacune des portions 11. L’épaisseur e13 de la portion 13 peut être comprise entre 50% et 90% de l’épaisseur totale e1 de la préforme fibreuse 1. L’épaisseur e13 peut être comprise entre 10 mm et 40 mm. La préforme fibreuse 1 comprend la superposition de plusieurs couches fibreuses 111 et 131. La préforme fibreuse 1 n’est pas de forme hélicoïdale. D’une manière générale, l’épaisseur e1 de la préforme fibreuse 1 peut être comprise entre 15 mm et 50 mm. On notera en outre que la préforme 1 peut être symétrique par rapport un plan de symétrie perpendiculaire à la direction Z, ce qui permet de rendre plus homogènes les déformations sous chargement thermique. La préforme fibreuse 1 est destinée à former le renfort fibreux d’un disque de frein, notamment d’un disque de frein en matériau composite carbone/carbone. Le disque de frein peut être intégré dans un aéronef, comme un avion ou un hélicoptère. Le procédé peut se poursuivre en densifiant la préforme 1 par une matrice (étape E40), par exemple une matrice en carbone. Dans le cas où il y a présence de fils en précurseur de carbone, on peut réaliser une pyrolyse de ce précurseur pour les transformer en carbone avant d’introduire le matériau de matrice dans la porosité de la préforme 1. L’étape de densification constitue une étape connue en soi. La matrice peut être obtenue en tout ou partie par infiltration chimique en phase vapeur (« Chemical Vapor Infiltration » ; « CVI ») ou par technique d’imprégnation et de pyrolyse de polymère (« Polymer Impregnation and Pyrolysis » ; « PIP »). On peut combiner ces deux techniques si cela est souhaité. On peut ensuite réaliser un usinage de finition et appliquer des compositions protectrices sur la surface du disque de frein, afin par exemple d’améliorer sa tenue à l’oxydation et l’intégrer ensuite à un ensemble de freinage de véhicule, de manière connue en soi. Procédé de fabrication d’une préforme (1) fibreuse destinée à former le renfort fibreux d’un disque de frein en matériau composite, comprenant : - la réalisation (E10) d’une première portion fibreuse (11) et d’une deuxième portion fibreuse (11), chacune destinée à définir une face (F1) frottante distincte du disque de frein, par technique de placement de fibre sur mesure dans laquelle, pour chacune des première et deuxième portions, des fibres de carbone ou de précurseur de carbone sont déposées sur un substrat et cousues à ce dernier par un fil de couture en carbone ou en matériau polymérique, - le positionnement (E20) d’une portion fibreuse (13) intermédiaire, destinée à définir une zone non frottante du disque de frein, entre la première et la deuxième portions fibreuses, et - l’assemblage (E30) de la portion fibreuse intermédiaire aux première et deuxième portions fibreuses. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l’assemblage (E30) est réalisé par aiguilletage. Procédé selon la revendication 2, dans lequel chacune des première (11) et deuxième (11) portions présentent, après l’assemblage (E30), un taux de fils de couture transférés en Z compris entre 1% et 8%. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l’assemblage (E30) est réalisé par touffetage. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les fils de couture sont en carbone. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les fils de couture sont en polymère précurseur de carbone. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le substrat est un voile de carbone ou d’un matériau précurseur de carbone. Procédé de fabrication d’un disque de frein en matériau composite, comprenant (a) la fabrication d’une préforme fibreuse (1) par mise en œuvre d’un procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, et (b) la densification (E40) de la préforme par une matrice.