Brevet FR3163600A1 — publié le 20251226

Procédé de fabrication d’une pièce de turbomachine en matériau composite L’invention concerne un procédé comprenant : - la mise en forme d’une ébauche (1) tissée 3D comprenant une ou plusieurs portions (3) fibreuses déployables, comprenant : le déploiement (E1a) de chaque portion fibreuse déployable par un dispositif (61) préhenseur monté sur un bras (6) robotisé, le positionnement (E2) d’une première partie (5) de conformation en regard d’une face (F2) de chaque portion fibreuse déployée, le relâchement de chaque portion fibreuse déployée par désactivation du dispositif préhenseur une fois en appui sur la première partie de conformation, et la mise en forme de chaque portion fibreuse déployée et relâchée en la maintenant entre la première partie de conformation et une deuxième partie de conformation, et - la densification par formation d’une matrice dans une porosité de l’ébauche ainsi mise en forme. Figure pour l’abrégé : Fig. 1. Procédé de fabrication d’une pièce de turbomachine en matériau composite Le présent exposé concerne un procédé de fabrication d’une pièce de turbomachine en matériau composite pour lequel la conformation est assistée par l’emploi d’un dispositif préhenseur monté sur un bras robotisé. Un domaine particulier d’application de l’invention est la fabrication de pièces en matériau composite à matrice céramique (« Ceramic Matrix Composite » ; « CMC »), par exemple à matrice de carbure de silicium. Les matériaux composites à matrice céramique supportent des températures allant de 600°C à 1400°C. De par leur meilleure résistance aux hautes températures, les CMC nécessitent moins de refroidissement. Ce refroidissement étant traditionnellement issu d’un prélèvement dans le compresseur qui impacte le rendement de la turbomachine, les matériaux CMC permettent donc d’améliorer le rendement moteur ce qui réduit la consommation de carburant. Par ailleurs, leur utilisation contribue à optimiser les performances des turbomachines notamment par la baisse de la masse globale de la turbomachine qui contribue encore à une diminution de la consommation de carburant et donc à la réduction significative des émissions polluantes. La fabrication de telles pièces peut comprendre l’obtention d’une texture de renfort, notamment par tissage tridimensionnel, laquelle est ensuite mise en forme dans un outillage de conformation afin d’obtenir une préforme de la pièce à obtenir. Cette conformation peut être suivie, de manière connue en soi, d’une étape, dite de consolidation, durant laquelle de la matière est déposée dans une porosité de la texture mise en forme dans l’outillage de conformation à partir d’une phase gazeuse introduite au travers de perforations de l’outillage. L’épaisseur de la matière ainsi déposée est suffisante pour lier les fibres de la préforme entre elles afin qu’elle puisse être manipulée en conservant sa forme sans assistance de l’outillage de conformation. La fabrication de la pièce peut ensuite être poursuivie après démoulage de la préforme consolidée par une pré-densification par voie gazeuse de la porosité résiduelle de la préforme consolidée, puis par une densification par injection de barbotine suivie d’infiltration par du silicium à l’état fondu. Le tissage tridimensionnel permet de former des textures en une seule étape de tissage qui sont mises en forme manuellement dans le conformateur par déploiement de portions fibreuses formées par une ou plusieurs zones de déliaison du tissu. Le moulage manuel limite la cadence de fabrication et la répétabilité des mises en forme peut être améliorée. Il est souhaitable de répondre à ces inconvénients. Le présent exposé concerne un procédé de fabrication d’une pièce de turbomachine en matériau composite, comprenant : - la mise en forme d’une ébauche fibreuse obtenue par tissage tridimensionnel comprenant une ou plusieurs portions fibreuses déployables, comprenant : le déploiement de chaque portion fibreuse déployable, réalisé par activation et déplacement d’un dispositif préhenseur monté sur un bras robotisé, le positionnement d’une première partie de conformation en regard d’une face de chaque portion fibreuse déployée, chaque portion fibreuse déployée venant en appui sur la première partie de conformation ainsi positionnée, le relâchement de chaque portion fibreuse déployée par désactivation du dispositif préhenseur une fois en appui sur la première partie de conformation, et la mise en forme de chaque portion fibreuse déployée et relâchée en la maintenant entre la première partie de conformation et une deuxième partie de conformation, et - la densification par formation d’une matrice dans une porosité de l’ébauche ainsi mise en forme. L’invention propose une solution automatisée pour mettre en forme l’ébauche sans manipulation manuelle ce qui permet d’améliorer la répétabilité, et d’augmenter significativement la capacité de production. Dans un exemple de réalisation, le dispositif préhenseur réalise une préhension électrostatique de chaque portion fibreuse. Une telle caractéristique permet avantageusement d’éviter tout risque d’endommagement de l’ébauche. Dans un exemple de réalisation, chaque portion fibreuse est humidifiée et le dispositif préhenseur réalise une préhension thermoélectrique de chaque portion fibreuse. Une telle caractéristique permet avantageusement d’éviter tout risque d’endommagement de l’ébauche. Dans ce cas, le dispositif préhenseur réalise un gel de l’eau présente par refroidissement thermoélectrique de sorte à adhérer à chaque portion fibreuse, et le dispositif préhenseur réalise ensuite une fusion de l’eau précédemment gelée par chauffage thermoélectrique de sorte à relâcher chaque portion fibreuse. Dans un exemple de réalisation, le dispositif préhenseur réalise une préhension de chaque portion fibreuse par aspiration. Dans un exemple de réalisation, le dispositif préhenseur réalise une préhension de chaque portion fibreuse sur une zone de sur-longueur, et la mise en forme de l’ébauche comprend en outre une élimination de ladite zone de sur-longueur après le relâchement de chaque portion fibreuse déployée. Une telle caractéristique permet avantageusement d’éviter tout risque d’endommagement de l’ébauche du fait d’une préhension sur une zone de sur-longueur destinée à être éliminée et qui ne fait pas partie de la zone utile de l’ébauche. Dans un exemple de réalisation, l’ébauche fibreuse est un renfort de secteur d’anneau de turbine comprenant, sur chacun de ses bords latéraux, une portion fibreuse déployable destinée à former un renfort d’une partie d’accrochage du secteur d’anneau et formée par une déliaison du tissu. Dans un exemple de réalisation, la pièce est en matériau composite à matrice céramique et la matrice est en tout ou partie formée par infiltration chimique en phase vapeur. En particulier, une première partie de la matrice peut être formée par infiltration chimique en phase vapeur, et une deuxième partie de la matrice peut ensuite être formée par infiltration de silicium ou d’un alliage de silicium à l’état fondu. En variante, la pièce est en matériau composite à matrice organique et la densification comprend une introduction d’une résine dans la porosité de l’ébauche mise en forme suivie d’un durcissement de cette résine. FIG. 1 La FIG. 1 représente, de manière schématique et partielle, le déploiement d’une portion fibreuse et le positionnement d’une première partie de conformation dans le cadre d’un exemple de procédé selon l’invention. FIG. 2 La FIG. 2 représente, de manière schématique et partielle, le relâchement de la portion fibreuse déployée à la FIG. 1 . FIG. 3 La FIG. 3 représente, de manière schématique et partielle, une succession d’étapes selon l’exemple des figures 1 et 2. FIG. 4 La FIG. 4 représente, de manière schématique et partielle, le déploiement d’une portion fibreuse dans le cadre d’un autre exemple de procédé selon l’invention mettant en œuvre une variante de dispositif préhenseur. FIG. 5 La FIG. 5 représente, de manière schématique et partielle, le positionnement d’une première partie de conformation et le relâchement de la portion déployée dans le cadre de l’exemple illustré à la FIG. 4 . FIG. 6 La FIG. 6 représente, de manière schématique et partielle, le déploiement d’une portion fibreuse dans le cadre d’un autre exemple de procédé selon l’invention mettant en œuvre une autre variante de dispositif préhenseur. FIG. 7 La FIG. 7 représente, de manière schématique et partielle, le positionnement d’une première partie de conformation et le relâchement de la portion déployée dans le cadre d’une variante de réalisation. FIG. 8 La FIG. 8 représente, de manière schématique et partielle, la découpe d’une zone de sur-longueur sur laquelle la préhension a eu lieu pour réaliser le déploiement dans le cadre de la FIG. 7 . 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. L’ébauche 1 fibreuse, illustrée à la FIG. 1 notamment, est destinée à former le renfort fibreux d’un secteur d’anneau de turbine. La personne du métier reconnaîtra que l’invention n’est pas limitée à la fabrication de ce type de pièce. Les figures ne montrent qu’une moitié de la largeur de l’ébauche 1, étant entendu qu’une mise en forme similaire est réalisée sur l’autre moitié. L’ébauche 1 est tout d’abord obtenue par tissage tridimensionnel. Par « tissage tridimensionnel » ou « tissage 3D », on entend ici un mode de tissage par lequel certains au moins des fils de chaîne lient des fils de trame sur plusieurs couches de trame comme par exemple un « tissage interlock ». Par « tissage interlock », on entend ici une armure de tissage 3D dont chaque couche de chaîne lie plusieurs couches de trames avec tous les fils de la même colonne de chaîne ayant le même mouvement dans le plan de l'armure. On notera qu’une inversion des rôles entre chaîne et trame est possible, et doit être considérée comme couverte aussi par les revendications. L’ébauche 1 peut être réalisée de façon connue au moyen d’un métier à tisser de type Jacquard sur lequel on a disposé un faisceau de fils de chaînes ou torons en une pluralité de couches, les fils de chaîne étant liés par des couches de fils de trame ou torons également disposés en une pluralité de couches. Les fils ou torons utilisés pour l’ébauche 1 peuvent être constitués de fibres céramiques, par exemple des fibres formées essentiellement de carbure de silicium SiC (désignées ci-après fibres SiC) ou de nitrure de silicium Si 3 N 4 . On peut notamment utiliser des fils fournis par la société japonaise Nippon Carbon sous la référence « Hi-Nicalon » ou sous la référence « Hi-Nicalon Type-S ». Les fils ou torons utilisés peuvent être également constitués de fibres de carbone ou en fibres de verre, entre autres matériaux envisageables. L’ébauche 1 est positionnée sur un support S et comprend, sur chacun de ses bords latéraux BL, une déliaison 2 qui permet de former une portion fibreuse déployable 3 pouvant être écartée d’une portion de base 4. Chaque déliaison 2 s’étend depuis un fond 2a jusqu’à un bord BL. L’ébauche 1 présente une partie médiane 10 à partir de laquelle s’étend chaque déliaison 2. La partie médiane 10 est située entre deux fonds 2a de déliaison 2. De façon connue en soi, une déliaison est réalisée entre deux couches de fils de chaîne en ne faisant pas transiter des fils de trame à travers la zone de déliaison pour ne pas lier des fils de couches de chaînes situées de part et d'autre de la déliaison. La portion 3 est par exemple ici destinée à former un renfort d’une partie d’accrochage du secteur d’anneau permettant la liaison à un carter de turbine, et la portion 4 est par exemple destinée à définir sa base annulaire délimitant la veine d’écoulement de gaz chaud. La portion 3 est ici intégralement tissée mais l’on ne sort pas du cadre de l’invention lorsque ce n’est pas le cas comme cela sera détaillé en lien avec les figures 7 et 8 décrites plus bas. Dans l’exemple illustré aux figures 1 et 2, la portion 3 est déployée à l’aide d’un dispositif 61 préhenseur électrostatique qui est monté sur un bras robotisé 6. Dans l’exemple illustré, le dispositif 61 est situé en regard d’une première face F1 de la portion 3. Suite à son activation, le dispositif 61 génère une force électrostatique qui créé une adhésion à la portion 3. La portion 3 est alors déployée suite au déplacement du bras 6 qui est solidaire du dispositif 61. Ce déploiement et ce déplacement sont respectivement matérialisés par les flèches « E1a » et « E1b » dans la FIG. 1 . La portion 3 déployée est écartée de la base 4 de sorte à la redresser et à la positionner transversalement à la partie médiane 10. La force électrostatique est ajustée en fonction de l’épaisseur de la portion 3 à saisir. Une première partie 5 de conformation est ensuite positionnée en regard d’une deuxième face F2 de la portion 3 déployée. Ce positionnement est matérialisé par la flèche « E2 » dans la FIG. 1 . Dans l’exemple considéré, la deuxième face F2 est opposée à la première face F1. La première partie 5 est positionnée à l’intérieur de la déliaison entre la portion 3 et la base 4. La première partie 5 est positionnée au-dessus de la base 4. La base 4 est située entre le support S et la première partie 5. Comme cela est visible sur la FIG. 2 , la portion 3 déployée vient en appui sur la première partie 5 ainsi positionnée et elle est ensuite relâchée (flèche « E3a ») par désactivation du dispositif 61 qui est alors éloigné de la portion 3 (flèche « E3b »). La force électrostatique générée par le dispositif 61 est arrêtée pour produire le relâchement. Une vue simplifiée de ces étapes est illustrée à la FIG. 3 . Dans cette figure, le dispositif préhenseur et le bras robotisé n’ont pas été représentés. La portion 3 déployée et relâchée est maintenue en forme entre la première partie 5 et une deuxième partie 7 de conformation de sorte à lui conférer la forme souhaitée (flèches « E4 »). La deuxième partie 7 peut avoir été positionnée avant le relâchement de la portion 3, ou après ce relâchement une fois la portion 3 en appui sur la première partie 5. Dans le cas illustré à la FIG. 3 , la deuxième partie 7 a été positionnée avant le déploiement de la portion 3 et forme en particulier une butée pour celle-ci. On obtient ainsi l’ébauche 1 mise en forme dans l’outillage de conformation qui est prête à être densifiée par une matrice. Les figures 4 et 5 concernent une variante où le dispositif 62 préhenseur réalise une préhension thermoélectrique de chaque portion 3. Les éléments identiques aux éléments précédemment décrits portent les mêmes symboles de référence. On notera toutefois que chaque portion 3 est humidifiée de sorte à permettre la préhension thermoélectrique. Le dispositif 62 comprend une pluralité de cellules 622 Peltier situées entre deux surfaces 621 et 623. Pour réaliser le déploiement E1a illustré à la FIG. 4 , le courant électrique appliqué aux cellules 622 produit un refroidissement thermoélectrique de la surface 623 par rapport à la surface 621. Ainsi, le dispositif 62 congèle localement l’eau, dans la zone d’adhésion 31, pour créer une adhésion à la portion 3 et permettre son déploiement. La première partie 5 est ensuite positionnée comme décrit plus haut et l’on réalise ensuite un chauffage thermoélectrique de la surface 623 par rapport à la surface 621 afin de décongeler l’eau, dans la zone d’adhésion 31, et relâcher la portion 3 ( FIG. 5 ). La FIG. 6 illustre une autre variante où le dispositif 63 préhenseur réalise une préhension par aspiration. Dans cette autre variante, le dispositif 63 peut comprendre plusieurs ventouses 631 activables/désactivables individuellement. La FIG. 7 illustre une autre variante reprenant le dispositif 63 préhenseur de la FIG. 6 . Les mêmes symboles de référence désignent les mêmes éléments que décrits plus haut. Dans cette variante le dispositif 63 réalise une préhension de la portion 3 sur une zone 32 de sur-longueur. La zone 32 est une partie destinée à être éliminée et qui ne fait pas partie du volume utile de l’ébauche. La zone 32 correspond ici à une zone non-tissée, dont les fibres sont éventuellement maintenues par un élément de maintien ou par une composition liante, venant dans le prolongement textile de la partie tissée 3D de la portion 3. Selon une variante non illustrée, la sur-longueur correspond à une partie tissée. Suite au relâchement (« E3a ») de la portion 3 déployée, la zone 32 est éliminée (« E3c ») par exemple par découpe comme illustré à la FIG. 8 . Cette élimination peut être réalisée avant la mise en forme de la portion 3 entre la première 5 et la deuxième 7 parties. On vient de décrire la mise en forme de l’ébauche. La suite s’attache à décrire la densification de celle-ci. La densification est réalisée par mise en œuvre de techniques connues en soi. Une gamme possible va être décrite ci-dessous à titre d’exemple mais la personne du métier reconnaîtra que d’autres solutions sont possibles tout en restant dans le cadre de l’invention. Une partie au moins de la matrice peut être formée par infiltration chimique en phase vapeur (« Chemical Vapor Infiltration » ; « CVI ») dans une porosité de l’ébauche 1 mise en forme dans l’outillage de conformation. Selon un exemple, on peut former une première phase de matrice de carbure de silicium (SiC) permettant de consolider l’ébauche 1 mise en forme. La consolidation ainsi réalisée densifie incomplètement l’ébauche 1 mise en forme mais est suffisante pour lui permettre de conserver sa forme sans assistance d’un outillage de maintien. L’ébauche mise en forme et consolidée est alors retirée de l’outillage de conformation et la densification poursuivie par formation d’une deuxième phase de matrice, par exemple en carbure de silicium, par infiltration chimique en phase vapeur de sorte à obtenir une préforme de la pièce à obtenir partiellement densifiée. La densification peut se poursuivre par introduction d’une suspension de particules de carbure de silicium, éventuellement additionnées de particules de carbone, dans la porosité résiduelle de la préforme partiellement densifiée, suivie d’une infiltration de silicium ou d’un alliage de silicium à l’état fondu (technique dite de « Melt-Infiltration » ; « MI »). On peut ainsi obtenir une pièce en matériau composite à matrice céramique, par exemple en carbure de silicium comprenant éventuellement une partie de matrice en Si-SiC. On vient de décrire des exemples de fabrication d’une pièce en matériau composite à matrice céramique mais la personne du métier reconnaîtra que l’invention est également applicable à la fabrication de pièces en matériau composite à matrice organique. Dans ce cas, la densification est réalisée par introduction d’une résine dans la porosité de l’ébauche mise en forme, suivie d’une solidification de la résine par réticulation (cas d’une résine thermodurcissable) ou refroidissement (cas d’une résine thermoplastique) afin de former la matrice organique. On vient de décrire l’application de l’invention à la mise en forme d’un renfort de secteur d’anneau de turbine mais la personne du métier reconnaîtra que l’invention peut être appliquée à d’autres pièces. Selon une variante non illustrée, on peut mettre en forme un renfort d’aube de turbomachine par déploiement de portions déliées destinées à former un renfort d’une partie fonctionnelle de l’aube, comme un renfort de plateforme, de becquets ou de talon. L’invention est également applicable à la fabrication d’un distributeur, d’une cornière ou de toute autre pièce composite. Procédé de fabrication d’une pièce de turbomachine en matériau composite, comprenant : - la mise en forme d’une ébauche (1) fibreuse obtenue par tissage tridimensionnel comprenant une ou plusieurs portions (3) fibreuses déployables, comprenant : le déploiement (E1a) de chaque portion fibreuse déployable, réalisé par activation et déplacement (E1b) d’un dispositif (61 ; 62 ; 63) préhenseur monté sur un bras (6) robotisé, le positionnement (E2) d’une première partie (5) de conformation en regard d’une face (F2) de chaque portion fibreuse déployée, chaque portion fibreuse déployée venant en appui sur la première partie de conformation ainsi positionnée, le relâchement (E3a) de chaque portion fibreuse déployée par désactivation du dispositif préhenseur une fois en appui sur la première partie de conformation, et la mise en forme (E4) de chaque portion fibreuse déployée et relâchée en la maintenant entre la première partie de conformation et une deuxième partie (7) de conformation, et - la densification par formation d’une matrice dans une porosité de l’ébauche ainsi mise en forme. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le dispositif (61) préhenseur réalise une préhension électrostatique de chaque portion fibreuse (3). Procédé selon la revendication 1, dans lequel chaque portion fibreuse (3) est humidifiée et dans lequel le dispositif (62) préhenseur réalise une préhension thermoélectrique de chaque portion fibreuse (3). Procédé selon la revendication 1, dans lequel le dispositif (63) préhenseur réalise une préhension de chaque portion fibreuse (3) par aspiration. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le dispositif préhenseur réalise une préhension de chaque portion fibreuse (3) sur une zone (32) de sur-longueur, et dans lequel la mise en forme de l’ébauche comprend en outre une élimination (E3c) de ladite zone de sur-longueur après le relâchement de chaque portion fibreuse déployée. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel l’ébauche fibreuse est un renfort de secteur d’anneau de turbine comprenant, sur chacun de ses bords latéraux, une portion fibreuse déployable destinée à former un renfort d’une partie d’accrochage du secteur d’anneau et formée par une déliaison du tissu. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la pièce est en matériau composite à matrice céramique et la matrice est en tout ou partie formée par infiltration chimique en phase vapeur. Procédé selon la revendication 7, dans lequel une première partie de la matrice est formée par infiltration chimique en phase vapeur, et dans lequel une deuxième partie de la matrice est ensuite formée par infiltration de silicium ou d’un alliage de silicium à l’état fondu. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la pièce est en matériau composite à matrice organique et la densification comprend une introduction d’une résine dans la porosité de l’ébauche mise en forme suivie d’un durcissement de cette résine.