Brevet FR3157258A1 — publié le 20250627

Convoyeur (1) d’une préforme (2) en matériau composite à matrice thermoplastique, ce convoyeur (1) comportant : - deux branches de guidage (3a) et au moins deux branches libres (3b), formant un cadre extérieur (3) plan et rigide ; - un cadre interne (4) articulé formé par deux demi-cadres internes (4a) en forme de « U » reliés par une double articulation ; - des moyens de maintien de la préforme (2) sur ce cadre interne (4), et - des moyens d’adaptations sur le cadre extérieur (3) permettant le repli du cadre interne (4). Figure pour l’abrégé : Fig. 1 Convoyeur avec cadre articulé pour l’estampage d’une pièce en composite à matrice thermoplastique. L'invention se rapporte à un convoyeur utilisé lors de la fabrication et la mise en forme d’une pièce en matériaux composites à matrice thermoplastique. Plus particulièrement, la présente invention concerne la fabrication de pièces composites utilisées comme pièces de structure dans des aéronefs, ces pièces de structure présentant en général une courbure et/ou une structure complexe. Ces pièces courbes et/ou complexes sont classiquement produites par estampage. ART ANTÉRIEUR La part des matériaux composites dans les aéronefs est en forte croissance, les matériaux composites permettant en particulier d’alléger la structure des aéronefs, qui étaient antérieurement principalement constitués par des pièces métalliques, et donc de réduire ainsi la consommation en kérosène. En plus de leur rapport propriétés mécaniques / masse volumique avantageux, les matériaux composites sont en général résistants à la corrosion, aux températures extrêmes et à l’humidité. A ces avantages très appréciés dans le domaine aéronautique s’ajoute une conception « à la carte » permettant d’obtenir une forte anisotropie des propriétés mécaniques de la pièce fabriquée qui ainsi s’adapte aux sollicitations mécaniques qu’elle va subir. Cette conception « à la carte » s’appuie en particulier sur le choix des matériaux utilisés dans le matériau composite ainsi que leur disposition, comme des fibres linéaires de carbones pour fabriquer une pièce sollicitée uni-directionnellement ou des fibres tissées et empilées pour fabriquer une pièce soumise à un champ de contraintes. Ces fibres, linéaires ou tissées, constituent une armature de fibres qui est contenue dans une matrice. Le matériau composite est fabriqué en plaque selon les méthodes classiques de l’état de l’art. Pour une mise en forme par estampage, celui-ci est réalisé à chaud : la plaque de composite est donc d’abord découpée en préformes aux dimensions de la pièce à estamper puis chauffée avant d’être mise en forme par estampage. La matrice est en général une matrice en résine thermoplastique, celle-ci présentant l’avantage de se déformer après chauffage tout en retrouvant ses propriétés mécaniques initiales après refroidissement, contrairement aux résines thermodurcissables dont les propriétés mécaniques à l’état solide sont irréversibles et qui ne peuvent être refondues après leur fabrication. Pour estamper des pièces composites, il est donc nécessaire de convoyer les préformes entre le four, dans lequel elles ont été chauffées, et l’outillage d’estampage qui comporte deux moules complémentaires, la matrice et le poinçon. La préforme étant chauffée, elle est malléable et ne peut être convoyé qu’avec un support. Le convoyage est en général réalisé par un cadre horizontal et rigide sur lequel est fixé soit un film démoulant qui va suivre la préforme durant tout le cycle d’estampage, soit des ressorts qui maintiennent la préforme, ce cadre assurant le transport et le maintien de la préforme pendant l’estampage. Cependant, bien que le film démoulant résiste bien à la température de chauffage, il présente un taux d’élongation limité qui n’est pas adapté à l’estampage de pièces à la surface non développable, c’est-à-dire dont la surface ne peut pas être « mise à plat » sans déchirement ou étirement de celle-ci. De même, les ressorts sont difficilement adaptés à l’estampage de préformes de grande dimension car ils doivent présenter à la fois une raideur suffisamment élevée pour supporter le poids de la préforme mais également une raideur suffisamment faible pour accompagner la préforme durant la phase de fermeture des moules lors de l’estampage. De plus, en fonction de leur position et de la forme finale de la pièce à fabriquer par estampage, les ressorts vont présenter une élongation différente qui est difficile à prévoir. Un autre désavantage de l’estampage à plat des préformes pour produire des pièces courbes réside dans la topologie des moules : en effet, les moules étant courbes et de température plus basse que les préformes, le contact des moules courbes avec les préformes se fait progressivement et provoque un refroidissement hétérogène des surfaces en contact, et de la pièce en général, qui peut être la cause de distorsions géométriques lors du refroidissement et/ou de contraintes internes dans la pièce. L’invention a pour objectif principal d’améliorer l’estampage d’une préforme en matériau composite à l’aide d’un convoyeur permettant d’améliorer la qualité de l’estampage et donc des pièces produites. Pour améliorer la qualité de l’estampage, l’invention prévoit d’adapter par un guidage interne le convoyeur à la topologie de la pièce à estamper et permettre de conformer la préforme par un positionnement plus uniforme de celle-ci par rapport aux surfaces de moulage de l’outillage d’estampage. Plus précisément, la présente invention a pour objet un convoyeur d’une préforme en matériau composite à matrice thermoplastique véhiculant cette préforme entre un four de chauffe et un outillage d’estampage, ce convoyeur comportant deux branches de guidage parallèles l’une à l’autre et au moins deux autres branches libres, les branches de guidage et les branches libres formant un cadre extérieur plan et rigide. Le convoyeur comporte également : - un cadre interne articulé, - des moyens de maintien de la préforme sur ce cadre interne, et - des moyens d’adaptations sur le cadre extérieur permettant le repli du cadre interne ; le cadre interne étant formé par : - deux demi-cadres internes en forme de « U » avec chacun une base de laquelle s’étendent deux branches support dans un même plan, chaque demi-cadre interne étant relié par sa base à une branche de guidage du cadre extérieur, et - une double articulation, chaque articulation reliant une branche support d’un demi-cadre interne à une branche support de l’autre demi-cadre interne. Avantageusement, le cadre extérieur plan permet de réaliser une chauffe de la préforme à plat, cette chauffe étant alors uniforme sur l’ensemble de la préforme permettant une mise en forme par estampage homogène et donc de meilleure qualité. Avantageusement également, le cadre interne articulé permet à la préforme de s’approcher de la courbure des moules d’estampage : le contact des moules avec la préforme est alors homogène et rapide sur l’ensemble de la préforme limitant ainsi les variations de température au moment du contact avec les moules et donc les contraintes internes dans la pièce ainsi que sa distorsion géométrique lors du refroidissement. Avantageusement également, les pièces obtenues par estampage avec un cadre interne articulé présentent des performances mécaniques optimisées car elles contiennent peu de contraintes internes. A même tenue mécanique, les pièces issues de cet estampage sont donc d’épaisseur plus réduite diminuant d’autant le poids de la pièce. Selon des formes de réalisation préférées prises seules ou en combinaison : - le cadre extérieur est rectangulaire ; - des ressorts en tension réalisent le maintien de la préforme dans le cadre interne ; - les ressorts en tension sont accrochés sur les branches supports ; - les branches supports des demi-cadres internes sont reliées entre elles par des liaisons rotules pour former la double articulation ; - les branches supports des demi-cadres internes sont reliées entre elles par des charnières pour former la double articulation ; - la double articulation comporte au moins une face d’appui ; - au moins une goupille de sécurité est insérée dans la double articulation. Selon des moyens d’adaptation sur le cadre extérieur permettant le repli du cadre interne : - les bases des demi-cadres internes sont reliés par des liaisons pivots au cadre extérieur et les branches libres du cadre extérieur sont télescopiques pour adapter le cadre extérieur au repli du cadre interne articulé ; - le cadre extérieur comporte des ressorts d’adaptation entre les branches de guidage et les demi-cadres internes. L’invention se rapporte également à un outillage d’estampage comportant deux moules réalisant une matrice et un poinçon, au moins un vérin d’appui et un convoyeur avec un cadre interne articulé dont la double articulation comporte au moins une face d’appui sur laquelle vient presser un vérin d’appui pendant l’estampage d’une préforme composite. PRÉSENTATION DES FIGURES D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description non limitative qui suit, en référence aux dessins annexés dans lesquels : La FIG. 1 , une représentation schématique vue du dessus d’un exemple de convoyeur d’une préforme en composite selon l’invention ; La FIG. 2 , FIG. 3 et la FIG. 5 , une représentation schématique en vue latérale de l’outillage d’estampage et du convoyeur lors de différentes étapes de l’estampage de la préforme en composite ; La FIG. 4 et la FIG. 6 , une représentation schématique en coupe de l’outillage d’estampage et du convoyeur lors de différentes étapes de l’estampage de la préforme en composite ; La FIG. 7 , une représentation schématique vue du dessus d’un exemple de variante du convoyeur de préforme en composite. DESCRIPTION DÉTAILLÉE La FIG. 1 illustre un convoyeur 1 d’une préforme 2 en matériau composite. Cette préforme 2 est constituée de fibres 2a contenue dans une matrice 2b. Ces fibres sont orientées dans le sens longitudinal X de la préforme 2, celle-ci étant mise en forme par estampage résultant dans cet exemple de réalisation en une courbure de la préforme 2 dans le sens longitudinal (voir FIG. 6 ). L’estampage permet donc de produire une pièce à partir de la préforme. En fonction de la forme recherchée de la pièce après estampage, d’autres orientations des fibres et/ou des orientations plus complexe que linéaires – par exemple des stratifiés avec des plis unidirectionnels ou des tissus - sont réalisées dans la préforme en fonction des contraintes mécaniques observées dans pièce à produire. Pour réaliser l’estampage de la préforme 2, celle-ci est préalablement chauffée pour pouvoir être déformée sans endommager sa structure : une matrice 2b de nature thermoplastique est donc choisie. En effet, les matériaux thermoplastiques présentent l’avantage de se déformer après chauffage et de retrouver leurs propriétés mécaniques initiales après refroidissement. Ce comportement permet de chauffer à nouveau une préforme pour la remettre à plat ou l’envoyer dans un autre outillage d’estampage sans entrainer de dégradation de ses performances mécaniques. Le convoyeur 1 permet donc de véhiculer la préforme 2 en matériau composite à matrice 2b thermoplastique entre un four de chauffe et un outillage d’estampage (voir FIG. 2 ). Le convoyeur 1 comporte deux branches de guidage 3a parallèles l’une à l’autre et perpendiculaires au sens longitudinal X de le préforme 2, ainsi que deux branches libres 3b perpendiculaires aux branches de guidage 3a. Les branches de guidage 3a et libres 3b forment un cadre extérieur 3 plan et rigide de géométrie rectangulaire dans le plan P. Le convoyeur 1 comporte également : - un cadre interne 4 articulé ; - des moyens de maintien de la préforme 2 sur ce cadre interne 4, et - des moyens d’adaptations sur le cadre extérieur 3 permettant le repli du cadre interne 4. Le cadre interne 4 est formé par deux demi-cadres internes 4a en forme de « U » avec chacun une base 4b de laquelle s’étendent deux branches support 4c dans un même plan. Les branches support 4c sont reliées chacune à une branche support 4c de l’autre demi-cadre interne par une liaison pivot 4d, les branches supports 4c des demi-cadres internes 4a étant ainsi reliées entre elles par une double articulation. En outre, chaque demi-cadre interne 4a est relié par sa base 4b à une branche de guidage 3a du cadre extérieur 3. Dans cet exemple de réalisation illustré en FIG. 1 , la préforme 2 est maintenue dans le cadre interne 4 par douze ressorts en tension 5a accrochés aux branches supports 4c des demi-cadres internes 4a. De plus, les branches supports 4c sont reliées entre elles par deux liaisons rotules 4d pour former la double articulation. La préforme 2 peut également être liée aux bases 4b par des ressorts. Alternativement aux liaisons rotules 4d, des charnières peuvent relier les branches supports des demi-cadres internes pour réaliser la double articulation du convoyeur 1. Par ailleurs, le cadre interne 4 étant articulé au niveau des liaisons rotules 4d, le cadre interne 4 peut se plier et amorcer ainsi une mise en forme en courbure de la préforme 2 qui a été préalablement chauffée et qui est maintenue par les ressorts en tension 5a au cadre interne 4. Pour accompagner ce pliage du cadre interne 4, des moyens d’adaptations interfacent le cadre interne 4 au cadre extérieur 3. Les bases 4a des demi-cadres internes 4a sont alors reliés par des liaison pivots 3c au cadre extérieur 3 et les branches libres 3b du cadre extérieur 3 sont télescopiques sur une zone 3d pour adapter les dimensions du cadre extérieur 3 au repli du cadre interne 4 articulé. Cette zone 3d est ici alignée avec la double articulation du cadre interne 4. Par ailleurs, un moyen de verrouillage, ici une goupille 3e, permet de bloquer les branches libres 3b à une longueur donnée. La FIG. 2 montre selon une coupe dans le plan A un outillage d’estampage 6 comportant deux moules réalisant une matrice 6a et un poinçon 6b, un vérin d’appui 6c et le convoyeur 1. La double articulation du cadre interne articulé 4 comporte une face d’appui 4e sur laquelle vient presser le vérin d’appui 6c pendant l’estampage d’une préforme composite 2. Le vérin 6c est solidaire du poinçon 6b qui est mobile selon un axe Z perpendiculaire au plan P du convoyeur 1. Dans la configuration initiale présentée en FIG. 2 , le convoyeur 1 est amené entre les moules et le cadre interne 4 du convoyeur 1 qui est plan : la mise en forme de la préforme 2 n’a pas encore commencé. Dans l’étape illustrée en FIG. 3 , le poinçon 6b descend pour se rapprocher de la matrice 6a et le vérin d’appui 6c pousse sur la face d’appui 4e entrainant alors un repli du cadre interne 4. Dans cette configuration, les demi-cadres internes 4a ne sont plus coplanaires et forment alors un angle α. La FIG. 4 illustre cette configuration selon une coupe dans le plan B. La préforme 2 commence dès cet instant à se courber sous l’action du repli du cadre interne 4 sur lui-même alors que la préforme 2 n’est pas encore en contact avec les moules 6a, 6b. Cette courbure de la préforme 2 uniformise la distance de la préforme 2 à la matrice 6a et au poinçon 6b. Cette uniformisation de la distance permet avantageusement un contact quasi simultané de la surface desdits moules sur la préforme 2 et donc une mise en forme régulière et uniforme de la préforme. Alternativement, le vérin d’appui 6c peut presser directement la double articulation du cadre interne (4) lorsque celle-ci ne comportent pas de face d’appui 4e. La FIG. 5 et la FIG. 6 illustrent une vue dans respectivement le plan A et le plan B de l’outillage d’estampage 6 lorsque la préforme 2 est mise en forme. Le poinçon 6b, la préforme 2 et la matrice 6a forment un empilement, la préforme 2 étant prise en sandwich entre le poinçon 6b et la matrice 6a. La préforme 2 est alors mise en forme par estampage conformément aux moules formés par le poinçon 6b et la matrice 6a. A l’issue de l’estampage, le poinçon 6b s’éloigne de la préforme 2 et le convoyeur 1 est extrait de l’outillage d’estampage. La préforme 2 ainsi mise en forme est alors retirée du convoyeur 1 et peut être utilisée. La FIG. 7 présente une variante du convoyeur 1 dans lequel les moyens d’adaptation du cadre interne 4 sur le cadre extérieur 3 sont constitués par des ressorts d’adaptation 3f entre les branches de guidage 3a du cadre extérieur 3 et les bases 4b des demi-cadres internes 4a. Ces ressorts d’adaptation 3f permettent aux demi-cadres internes 4a d’une part de pivoter par rapport au cadre extérieur 3 et d’autre part de se replier sous l’action du vérin d’appui 6c sur la face d’appui 4a de la double articulation du cadre interne 4. De plus, les branches libres 3b ne sont plus télescopiques, les ressorts d’adaptation étant capables d’apporter l’élongation nécessaire au repli du cadre interne 4. Lors du transport du convoyeur 1, la double articulation du cadre interne 4 est bloquée par une goupille de sécurité 4f qui empêche le repli des demi-cadres internes 4a. La goupille de sécurité 4f est ici insérée dans une des liaisons pivots 4d, une goupille pouvant être insérée dans chacune des liaisons pivots. Alternativement, tout moyen de blocage du repli des demi-cadres peut être utilisé tel qu’un dispositif de verrouillage de la double articulation ou des ressorts à lames entre les demi-cadres internes. L’invention n’est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés. Ainsi, le cadre interne peut être adapté pour que deux vérins d’appuis sur la double liaison pivot permettent une mise en forme à double courbure par estampage. Convoyeur (1) d’une préforme (2) en matériau composite à matrice thermoplastique véhiculant cette préforme (2) entre un four de chauffe et un outillage d’estampage (6), ce convoyeur (1) comportant deux branches de guidage (3a) parallèles l’une à l’autre et au moins deux branches libres (3b), les branches de guidage et les branches libres formant un cadre extérieur (3) plan et rigide, le convoyeur (1) étant caractérisé en ce qu’il comporte également : - un cadre interne (4) articulé ; - des moyens de maintien de la préforme (2) sur ce cadre interne (4) ; - des moyens d’adaptations sur le cadre extérieur (3) permettant le repli du cadre interne (4) ; le cadre interne étant formé par : - deux demi-cadres internes (4a) en forme de « U » avec chacun une base (4b) de laquelle s’étendent deux branches support (4c) dans un même plan, chaque demi-cadre interne (4a) étant relié par sa base (4b) à une branche de guidage (3a) du cadre extérieur (3), et - une double articulation, chaque articulation reliant une branche support (4c) d’un demi cadre interne (4a) à une autre branche support (4c) de l’autre demi-cadre interne (4a). Convoyeur (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le cadre extérieur (3) est rectangulaire. Convoyeur (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que des ressorts en tension (5a) réalisent le maintien de la préforme dans le cadre interne (4). Convoyeur (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les branches supports (4c) des demi-cadres internes (4) sont reliées entre elles par des liaisons rotules (4d) pour former la double articulation. Convoyeur (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les branches supports (4c) des demi-cadres internes (4) sont reliées entre elles par des charnières pour former la double articulation. Convoyeur (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la double articulation comporte au moins une face d’appui (4e). Convoyeur (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les moyens d’adaptation sur le cadre extérieur (3) comportent des liaisons pivot (3c) entre les bases (4b) des demi-cadres internes (4a) et le cadre extérieur (3), les branches libres (3b) du cadre extérieur (3) étant télescopiques pour adapter le cadre extérieur (3) au repli du cadre interne (4) articulé. Convoyeur (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les moyens d’adaptation sur le cadre extérieur (3) comportent des ressorts d’adaptation entre les branches de guidage (3a) du cadre extérieur (3) et les demi-cadres internes (4a). Convoyeur (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu’au moins une goupille de sécurité (4f) est insérée dans la double articulation. Outillage d’estampage (6) comportant deux moules réalisant une matrice (6a) et un poinçon (6b) caractérisé en ce qu’il comporte également au moins un vérin d’appui (6c) et un convoyeur (1) selon la revendication 1 à 9, le vérin d’appui (6c) venant presser la double articulation du cadre interne (4) du convoyeur (1) pendant l’estampage d’une préforme composite.