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Procédé et machine pour la réalisation d'une armature en forme de bloc
pour une pièce de matière composite.
La présente invention concerne un procede pour la réalisa-
tion d'une armature en forme de bloc pour une pièce de
matière composite, formée de ladite armature noyée dans une
matrice durcie, ladite armature comprenant des nappes
superposées de fil (en carbone, verre, bore, notamment), et
une machine pour la mise en oeuvre dudit procede, ainsi
qu'une armature et une pièce de matière composite ainsi
obtenues.
Plus particulièrement, quoique non exclusivement, de telles
10 pièces de matière composite seront utilisees, après usinage,
dans les domaines aeronautique, spatial et nucleaire en
vertu de leurs excellentes proprietes de resistance aux
contraintes mécaniques et/ou thermiques.
On connaît de nombreux procedes pour obtenir des pièces de
15 matière composite, et notamment leur armature. De façon
genérale, on commence par realiser l'armature à partir de
fibres (fils), en particulier minerales, distribuees suivant
au moins deux directions, après quoi on introduit la matière
de la matrice dans l'armature, et on durcit ladite matière
20 pour former ladite matrice et, ainsi, ladite pièce compo-
site.
Plus spécifiquement, dans le cas present, on désigne, par le
terme "bloc", un objet dont l'épaisseur ou la hauteur
représente au moins une fraction importante des dimensions
25 longitudinales de celui-ci (longueur, largeur ; diametre).
Pour la réalisation de tels blocs, selon notamment les
brevets US-A-3 955 602 et US-A-4 218 276, il est nécessaire
de matérialiser la direction verticale, correspondant à
l'épaisseur ou à la hauteur du bloc, par des tiges, notam-
30 ment métalliques, entre lesquelles des nappes de fil
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horizontales sont introduites et compactées. Une telle façonde faire nécessite d'utiliser un grand nombre de telles
tiges, qu'il faut remplacer par du fil à la fin de la
superposition des nappes horizontales de fil. C'est donc un
principe contraignant et peu souple.
Un procédé analogue est décrit dans le brevet FR-2 531 459,
dans lequel il est formé, initialement, un réseau de baguet-
tes ou tiges rigides, entre lesquelles est déposé un fil
formant des couches successives se superposant dans des
10 plans transversaux à la direction des baguettes. De meme,
apres réalisation de l'armature souhaitée, les baguettes
sont remplacées par du fil de même nature, en les chassant
préalablement de l'armature à l'aide d'une longue aiguille,
laquelle accroche ensuite un fil et le tire à travers
15 l'armature en remplacement de la baguette qui vient d'être
chassée. On conçoit que cette méthode nécessite un appareil-
lage complexe, encombrant (l'armature doit être remontée
pour dégager un emplacement de dégagement des aiguilles), et
fragile (l'aiguille doit présenter une longueur correspon-
20 dant à celle des baguettes). Corrélativement, la hauteur despièces obtenues par ce procédé est forcément limitée. Au
demeurant, ce procédé, plus souple que les précédents pour
l'orientation des nappes horizontales, nécessite, d'une
part, de calibrer les longueurs déposées de fil et, d'autre
25 part, de matérialiser également la direction verticale sous
forme d'un réseau de tiges métalliques.
La présente invention a pour but d'éviter ces inconvénients,
et concerne un procédé pour la réalisation d'une armature en
forme de bloc pour une pièce de matière composite, grace
30 auquel il n'est plus nécessaire d'utiliser des tiges métal-
liques pour matérialiser la direction verticale (épaisseur
ou hauteur du bloc) et, en définitive, de les remplacer. Par
ailleurs, l'outillage nécessaire pour la mise en oeuvre du
procédé est considérablement simplifié.
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A cet effet, le procédé pour la réalisation d'une armature
en forme de bloc pour une pièce de matière composite, formée
de ladite armature noyee dans une matrice durcie, est
remarquable, selon l'invention, en ce que ledit bloc est
constitue en formant en continu une succession de plaques
superposees, chaque plaque comportant elle-même des nappes
superposees de fil réalisées en disposant, pour chaque
nappe, des troncons de fil rectilignes au moins sensiblement
parallèlement les uns par rapport aux autres, les tronçons
10 de fil rectilignes de chaque nappe s'étendant suivant une
direction, soit parallèle, soit croisée par rapport à la
direction des tronçons de fil rectilignes d'une autre nappe
quelconque de la plaque, et en solidarisant entre elles
l'ensemble des nappes superposées à l'aide d'un fil traver-
15 sant lesdites nappes, et en ce que chaque plaque est solida-
risee à la plaque immediatement sous-jacente par le fil de
solidarisation des nappes superposées de la plaque en
question et à la plaque immediatement sus-jacente par le fil
de solidarisation des nappes superposees de ladite plaque
20 sus-jacente.
Ainsi, on peut realiser une armature en forme de bloc de
grande dimension (hauteur ou épaisseur) à partir d'une
succession, fabriquée en continu et "in situ", de plaques
tissees (tramage), reliées entre elles par piquage transver-
25 sal.
Avantageusement, les nappes superposées de chaque plaquesont tassées par pression mécanique, et, pour conserver
l'état de tassement ainsi obtenu desdites nappes, le fil de
solidarisation des nappes est piqué sans nouage à travers
30 lesdites nappes, en formant des points de piqûre sur au
moins la majeure partie de la surface desdites nappes
presentant, après tassement, une densité des tronçons de fil
qui les constituent suffisante pour retenir par friction
ledit fil de solidarisation.
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En particulier, chacun desdits tronçons de fil rectilignes
peut être tendu entre deux points de fixation en position
des extrémites dudit tronçon.
De preference, chaque point de fixation en position est
materialisé par un picot, autour duquel passe la jonction
entre deux tronçons de fils rectilignes de même direction et
de sens opposes.
Selon une autre caracteristique de l'invention, après la
realisation d'une plaque, l'ensemble des picots sont décro-
10 ches de ladite plaque et remontes d'une distance correspon-
dant à l'epaisseur de ladite plaque.
Selon encore une autre caractéristique de l'invention, la
plaque la plus inférieure du bloc est réalisée sur un
support de matière souple, telle qu'une mousse de matière
15 synthetique.
La presente invention concerne également une machine pour la
mise en oeuvre du procedé qui vient d'être décrit, du type
comportant un bâti pourvu d'un pietement et de montants pour
le montage d'au moins un cadre mobile le long desdits
20 montants, susceptible de recevoir un outil de d&pose de fil,
deplacable dans un plan transversal auxdits montants,
remarquable, selon l'invention, en ce qu'elle comporte un
cadre supplementaire, mobile le long desdits montants,
pourvu de picots d'accrochage desdits tronçons de fil
25 rectilignes.
Bien que d'autres formes, notamment cylindrique, puissent
être envisagées (avec des cadres correspondants, notamment
circulaire), pour la réalisation en particulier d'un bloc de
forme parallélépipédique, ledit cadre supplémentaire pré-
30 sente une forme quadrangulaire, chaque côté dudit cadrecomprenant une série desdits picots.
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Dans ce cas, avantageusement, chaque serie de picots est
montee sur un axe rotatif pour son escamotage.
De preférence~ chaque picot presente une forme de crochet
dont la partie d'extremite libre est recourbee vers l'exte-
rieur.
Selon une autre caractéristique de la machine de l'inven-
tion, l'outil de dépose de fil présente un tube rigide
prolongé par un tube souple, le fil traversant lesdits
tubes.
10 Par ailleurs, la machine peut comprendre une tête de piquage
présentant un support rotatif à l'extrémité inférieure
duquel est montée une aiguille, associée à un pied-de-biche.
Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment
l'invention peut être réalisée.
15 La figure 1 est une vue schématique, en élévation, d'un
exemple de machine pour la mise en oeuvre du procédé selon
- l'invention, dont la moitié gauche correspond à une phase de
tramage (dépose de fil) et la moitié droite à une phase de
piquage.
20 La figure 2 est une vue en perspective schématique d'un
cadre quadrangulaire portant les picots d'accrochage du fil.
La figure 3 est une vue en perspective schématique de
l'outil de dépose de fil, sur son cadre, de la machine de
l'invention.
25 La figure 4 montre un détail agrandi de la machine de la
figure 1.
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La machine 1 de la figure 1 comporte un bâti 2 pourvu d'un
piétement 3 et de montants 4, reliant le piétement 3 et la
partie de toit 5 de la machine. Les montants 4, au nombre de
quatre notamment, peuvent être réalisés, comme représenté,
sous forme de tiges filetées, et permettent le montage de
cadres 6,7 mobiles le long desdits montants, parallèlement à
la direction Z. Bien que, pour des raisons de clarté du
dessin, cela ne soit pas représenté, chaque cadre 6,7
comporte un moteur qui entraîne, par une chaîne, quatre
10 écrous, correspondant chacun à une tige filetée, qui permet-
tent une translation de ces cadres selon la direction Z
(avantageusement verticale).
Plus particulièrement, le cadre inférieur 6, comme on peut
mieux le voir sur la figure 2, présente une forme quadrangu-
laire, chaque côté 8A, 8B, 8C, 8D du cadre 6 comportant unesérie de picots 9, chaque série de picots étant montée sur
un axe rotatif lOA, lOB, lOC, lOD. Lesdits axes sont reliés
à quatre renvois d'angle 11, disposés dans les coins. Une
des sorties de ces renvois d'angle est reliée à un moto-
20 réducteur 12. Un contact (non représenté) fixé sur cettesortie permet d'arrêter le moteur à la position de tramage
des crochets. Par ailleurs, aux coins des côtés 8A-8D, on a
représenté les pattes 13 de montage du cadre 6 sur les
montants 4. Comme on le voit mieux sur la figure 4, chaque
25 picot 9 présente une forme de crochet dont la partie d'ex-
trémité libre 9A est recourbée vers l'extérieur, pour
faciliter le tramage du fil, en empêchant la remontée de
celui-ci et l'escamotage des picots par rotation dans le
sens de la flèche P sur la figure 4.
30 Le cadre supérieur 7 comporte deux chariots 14,15 pouvant se
déplacer dans le plan, transversal à la direction Z, défini
par les deux directions X,Y (voir la figure 3). Le chariot
inférieur 14 (figure 3) comprend une barre 16, s'étendant
suivant la direction X, le long de laquelle peut se déplacer
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l'outil de dépose de fil 17, sous l'action d'un moteur 18,
par l'intermediaire d'une courroie d'entraînement non
representee. Par ailleurs, la barre 16 est mobile suivant la
direction Y, orthogonale à la direction X, ses extrémités
roulant sur des rails de guidage 19,20, fixés au cadre 7,
sous l'action de courroies d'entraînement 21,22, animées par
un moteur 23 egalement solidaire du cadre 7. L'outil de
depose de fil 17 peut ainsi se deplacer suivant les direc-
tions X,Y en tout point du plan limité par les rails 19,20.
10 Plus particulièrement, l'outil de depose de fil presente un
tube rigide 24 prolongé par un tube souple 25, le fil F
traversant lesdits tubes 24,25 en provenant d'une bobine 26
(figure 1).
De plus, le chariot supérieur 15 porte une tête de piquage
15 27 presentant un support rotatif à l'extremité inférieure
duquel est montee une aiguille 28, de préférence associée à
un pied-de-biche (non représenté).
On notera qu'un outil de dépose de fil et une tête de
piquage particulièrement appropriés pour être utilisés dans
20 une machine de ce type sont décrits en détail dans la
demande de brevet français, déposee le 18 avril 1994, au nom
de la demanderesse, pour "Procédé et machine pour la
realisation d'une armature en forme de plaque pour une pièce
de matière composite".
25 Cette machine est pilotée par un directeur à commande
numerique constitue d'une carte d'axe capable de piloter
huit moteurs plus seize entrees et seize sorties tout ou
rien. Cette carte est installée dans un ordinateur qui sert
à envoyer à la carte les données nécessaires à l'exécution
30 d'un bloc.
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Un bloc B est réalisé de la façon suivante, selon l'inven-
tion.
Un support de mousse 29 d'une hauteur convenable est disposé
sur le piétement 3 de la machine. Les deux cadres 6 et 7
sont mis en position relative, afin que l'outil de dépose du
fil 17 place le fil F dans les crochets 9. Cela peut être
notamment effectué conformément au procédé décrit dans la
demande de brevet français ci-dessus référencée, et est
schématiquement illustré sur la figure 2.
10 Un programme de tramage est exécuté, qui commande la dépose
des nappes de fil jusqu'à ce que les crochets soient entiere-
ment garnis de tronçons de fil. Cela correspond a une plaque
30 (figure 4) d'une hauteur de 3 cm environ, par exemple.
Ensuite, la barre transversale 16, portant le chariot
(figure 3) sur lequel l'outil de dépose de fil 17 est fixé,
s'escamote en position avant ou arriere afin de laisser la
place a la tete de piquage 27.
Le piquage est alors exécuté notamment de la façon décrite
dans la demande de brevet français ci-dessus référencée, ce
20 qui compacte les nappes déposées. En même temps, chaque
plaque 30 est solidarisée a la plaque immédiatement sous-
jacente par le fil de solidarisation F1 des nappes superpo-
sées de la plaque en question et a la plaque immédiatement
sus-jacente par le fil de solidarisation F1 des nappes
25 superposées de ladite plaque sus-jacente (figure 4).
La rotation des axes lOA-lOD portant les crochets 9 est
alors commandée, ce qui a pour effet de décrocher les
tronçons de fil tramés F qui restent fixés par les tronçons
de fil F1 piqués sur les nappes précédemment déposées.
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On peut alors remonter le cadre inférieur 6 de la hauteur
des nappes de fil déposées, correspondant à une plaque, et
achever la rotation des axes lOA-lOD pour pouvoir recommen-
cer l'operation de tramage (dépose de fil). Chaque plaque
comporte ainsi des nappes superposées de fil réalisées en
disposant, pour chaque nappe, des tronçons de fil rectili-
gnes au moins sensiblement parallèlement les uns par rapport
aux autres, les tronçons de fil rectilignes de chaque nappe
s'etendant suivant une direction, soit parallèle, soit
10 croisee par rapport à la direction des tronçons de fil
rectilignes d'une autre nappe quelconque de la plaque, et
l'ensemble des nappes superposées sont solidarisées entre
elles à l'aide d'un fil traversant lesdites nappes.
Par ailleurs, les nappes superposées de chaque plaque 30
15 sont tassees par pression mécanique et, pour conserver
l'état de tassement ainsi obtenu desdites nappes, le fil de
solidarisation Fl des nappes est piqué sans nouage à travers
lesdites nappes, en formant des points de piqûre sur au
moins la majeure partie de la surface desdites nappes
20 presentant, après tassement, une densité des tronçons de fil
qui les constituent suffisante pour retenir par friction
ledit fil de solidarisation. A cet égard, le fil de tramage
F peut constituer de 40 à 60% et le fil de solidarisation Fl
de l à lO~ du volume total de la pièce tarmature plus
25 matrice).
Le bloc va donc s'élever par étapes. Il est constitué d'une
succession de "tranches" (plaques) liées ensemble par les
niveaux de piquage.
Lorsque la hauteur voulue est atteinte, le bloc est alors
30 sorti de la machine en l'enlevant de la mousse 29 inférieure
et en emportant la mousse 29A qui est arrachée.
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La taille des blocs réalisés sur la machine peut être, par
exemple, de 800 mm x 800 mm x 2000 mm, soit une masse de
1300 kg (liée à la capacité de la machine).
Dans l'application actuelle, ce bloc (armature ou substrat
tisse ni imprégne, ni densifié) est débité en tranches par
sciage sur une scie à ruban, comme un tronc d'arbre, afin
d'obtenir des "planches" comportant la majorité des fils
perpendiculaires à la longueur de la planche, afin de
favoriser la conduction thermique entre les deux faces.
10 Ainsi, le procédé de l'invention permet de réaliser une
préforme ou armature fibreuse (avant imprégnation et densi-
fication) de grande dimension (hauteur) à partir d'une
succession de plaques tissées (tramage), reliées entre elles
par piquage.
15 Le gros bloc réalisé peut ensuite etre découpé en différents
eléments ou petits blocs ou plaques, suivant le type d'ap-
plication (utilisation) envisage (du fait de la bonne
coherence du sens vertical Z du piquage).
Une des applications intéressantes est l'obtention d'un bloc
20 dont la conductivité thermique dans une direction du
carbone/carbone est très élevée. Pour cela, on augmente le
pourcentage des fibres (fils) dans une direction souhaitée.
De plus, on peut utiliser des fibres de brai (dont la
conductivité est supérieure à celle du graphite).
25 Les blocs ainsi realises permettent de remplacer le graphite
couramment utilise dans le domaine nucleaire, par exemple.
Dans ce cas, on obtient des plaques ayant une conduction
thermique transversale élevée (Z) en augmentant la densité
de fils transversaux (piquage) (relativement faible dans le
30 plan XY de la pièce).
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Le temps d'immobilisation de la machine entre deux pièces
est très faible puisque l'opération de départ est très
simple. On peut réaliser des maillages très fins, puisque
l'epaisseur des fils verticaux est faible, de l'ordre de 0,2
mm, et le pas des fils verticaux ne dépend que de la pro-
grammation des déplacements de la tête de piquage et non pas
d'outillages complexes (permettant la réalisation de blocs à
pas fin). Ce procédé permet également de placer les nappes
horizontales de fil suivant n'importe quelle orientation
10 dans le plan (on n'est plus limité à deux ou trois direc-
tions, car l'outil de dépose de fil est programmé et il peut
se deplacer dans la direction souhaitée).
Comme déjà indiqué, un des produits qui peut être obtenu
grâce à ce procédé est un matériau thermiquement plus
15 conducteur que le graphite et moins fragile. Cette conduc-
tion doit être obtenue entre les deux faces du matériau.
