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WO 2013/178917 PCT/FR2013/051159
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PANNEAU COMPOSITE AUTO-RAIDI ET PROCEDE DE REALISATION
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
L'invention concerne un procédé de réalisation d'un panneau
comportant des éléments augmentant sa rigidité et un dispositif pour la mise
en oeuvre
d'un tel procédé.
L'invention concerne plus particulièrement un procédé de réalisation
d'un panneau en matériau composite du type appelé "auto-raidi", destiné par
exemple, à
être appliqué au fuselage, à un caisson structural ou à une aile d'un aéronef.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Un panneau auto-raidi consiste principalement en une peau extérieure
plane ou cintrée sur laquelle des raidisseurs perpendiculaires au plan du
panneau sont
rapportés, afin d'améliorer la résistance de cette plaque aux sollicitations
mécaniques qui
lui sont appliquées.
Chaque raidisseur est un élément allongé dont la section verticale
transversale est en forme de L, de T ou de U. Le raidisseur comporte ainsi une
portion
horizontale qui est parallèle et est fixée à la peau externe, et une ou
plusieurs portions
longitudinales verticales qui sont perpendiculaires au plan principal de la
peau extérieure.
Selon un mode de réalisation connu, la peau externe et les raidisseurs
sont réalisés en matériau composite ; ils comprennent des fibres en au moins
un
matériau, appelées renfort, qui sont liées entre elles par une matrice telle
qu'une résine.
Un procédé de réalisation conventionnel pour réaliser un tel panneau
auto-raidi consiste à positionner la peau externe sur un support de moulage,
puis à
mettre en place des peaux destinées à former les raidisseurs préformés sur la
peau
externe. L'ensemble est recouvert par un sac à vide permettant de former un
vide d'air
autour des peaux.
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Ensuite, des moyens de calage sont disposés dessus le sac à vide pour
maintenir en place les portions verticales des raidisseurs.
L'assemblage est mis en place dans une étuve pour réaliser la
polymérisation de la résine.
Lors de leur mise en place, la peau externe et les peaux destinées à
former les raidisseurs sont pré-imprégnés de résine.
La mise en place des peaux destinées à former les raidisseurs s'effectue
par l'intermédiaire de préformes, ou inserts, qui sont ensuite retirés, avant
la mise en
place de la poche à air, puis des moyens de calage.
Avant que les moyens de calage soient mis en place, aucun dispositif ne
maintient correctement les portions verticales des raidisseurs. Celles-ci
peuvent donc se
déformer, et cette déformation se retrouvera sur le panneau fini.
Aussi, la mise en place du sac à vide et des moyens de calage peuvent
déformer les portions verticales des raidisseurs.
Enfin, un tel procédé oblige le personnel d'intervenir au-dessus du
support pour un bon positionnement des différents éléments, rendant le travail
relativement difficile pour la réalisation de panneaux de grandes dimensions.
L'invention a pour but de proposer un procédé et un dispositif
permettant d'obtenir un panneau auto-raidi pour lequel les portions verticales
des
raidisseurs sont correctement planes, afin d'optimiser la qualité du panneau.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
Selon un aspect général, l'invention propose un procédé de réalisation
d'un panneau composite auto-raidi comportant une peau externe et des
raidisseurs,
chaque raidisseur comportant une portion de liaison du raidisseur à la peau
externe, et au
moins une portion faisant saillie par rapport à la portion de liaison, le
procédé
comportant une étape de drapage de couches de fibres destinées à former les
raidisseurs
sur au moins un insert de forme complémentaire à la forme définitive des
raidisseurs, de
manière que chaque couche de fibre destinée à former un raidisseur comporte
une
portion de liaison et une portion faisant saillie vers le bas par rapport à la
portion de
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liaison, une étape de drapage d'une couche de fibres destinée à former la peau
externe
sur les couches de fibres destinées à former les raidisseurs, et une étape
consistant à
solidariser simultanément toutes les couches de fibres par une matrice. Lors
des étapes
de drapage des couches de fibres destinées à former les raidisseurs et la peau
externe, les
couches de fibres ne sont pas imprégnées de matrice. L'étape de solidarisation
comporte
une phase d'injection de ladite matrice puis une phase de durcissement de
ladite matrice,
et la phase d'injection de la matrice consiste à injecter la matrice du bas
vers le haut.
D'autres aspects, objets, modes de réalisation, variantes et/ou
avantages de la présente invention, tous étant optionnels, sont brièvement
décrits ci-
dessous.
Par exemple, le positionnement de chaque portion verticale d'une
couche de fibre formant un raidisseur sur un insert permet de faciliter leur
maintien en
forme lors de l'étape de solidarisation, ce qui permet d'obtenir un panneau
comportant
des raidisseurs de forme relativement précise.
De préférence, l'étape de drapage des couches de fibres sur ledit au
moins un insert est suivie d'une étape de positionnement de chaque insert
recouvert par
la couche de fibres associée sur un support de moulage.
De préférence, l'étape de positionnement des raidisseurs consiste à
positionner les inserts recouverts par les couches de fibres de manière
adjacente les uns
des autres.
De préférence, les couches de fibres sont destinées à être liées entre
elles par une matrice, et lors des étapes de drapage et de positionnement, les
couches de
fibres ne sont pas imprégnées de matrice et l'étape de solidarisation comporte
une phase
d'injection de ladite matrice puis une phase de durcissement de ladite
matrice.
De préférence, l'étape d'injection de la matrice consiste à injecter la
matrice du bas vers le haut.
De préférence, l'étape de solidarisation consiste à positionner au moins
l'un parmi un tissus de démoulage, un feutre de drainage d'air, une tôle de
lissage et un
sac à vide sur la couche de fibres destinée à former la peau externe avant la
phase
d'injection de ladite matrice.
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De préférence, le panneau comporte des accessoires métalliques fixés
aux raidisseurs et/ou à la peau externe, et le procédé comporte une étape de
mise en
place des accessoires simultanée à l'étape de drapage des couches de fibres
destinées à
former les raidisseurs.
Selon un autre aspect général, l'invention propose aussi un dispositif de
mise en uvre d'un procédé selon l'invention qui comporte un support de
moulage sur
lequel les couches de fibres destinées à former les raidisseurs et la peau
externe sont
drapées, par l'intermédiaire des inserts. Le dispositif comporte en outre des
moyens de
positionnement longitudinalement et/ou transversalement de chaque insert sur
le
support de moulage.
Par exemple, le positionnement des inserts sur le support de moulage
permet d'obtenir une bonne position transversale et un parallélisme des
portions
verticales des raidisseurs.
Aussi, il est possible d'utiliser des inserts de formes et de dimensions
différentes sur un même insert, pour réaliser un autre panneau ayant des
dimensions
différentes.
De préférence, lesdits moyens de positionnement consistent en un
système à clavettes.
De préférence, le support comporte une face supérieure horizontale qui
comporte des rainures coopérant avec les moyens de positionnement de chaque
insert et
des orifices d'injection d'une matrice de liaison des couches de fibres.
De préférence, chaque insert est de forme parallélépipédique
d'orientation principale longitudinale et de section rectangulaire selon un
plan vertical
transversal.
De préférence, le support est réalisé en un matériau à faible coefficient
de dilatation.
De préférence, chaque insert est réalisé en matériau à fort coefficient
de dilatation.
De préférence, le dispositif comporte des moyens de positionnement
longitudinalement et/ou transversalement de chaque accessoire sur le support.
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4a
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la
lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de
laquelle on se
reportera aux dessins annexés dans lesquels :
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- la figure 1 est une représentation schématique en perspective d'un
panneau composite auto-raidi comportant des raidisseurs et qui est apte à être
réalisé
conformément à l'invention;
- la figure 2 est une représentation schématique d'un support sur lequel
5 les
couches de fibres destinées à former le panneau composite représenté à la
figure 1
sont destinées à être drapées ;
- la figure 3 est une vue similaire à celle de la figure 2, dans laquelle
un
insert recouvert par une couche de fibres associée, destinée à former un
raidisseur, est
positionné sur le support ;
- la figure 4 est une vue similaire à celle de la figure 3, dans laquelle tous
les inserts recouverts de leurs couches de fibres associées sont mis en place
sur le support
- la figure 5 est une section selon un plan vertical transversal de
l'installation avant l'injection de la matrice ;
- la figure 6 est une représentation schématique en perspective vue de
dessous d'un panneau composite auto-raidi réalisé selon l'invention,
comportant des
raidisseurs et des accessoires métalliques.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Pour la description de l'invention, on adoptera à titre non limitatif les
orientations longitudinale, verticale et transversale selon le repère L, V, T
indiqué à la
figure 1.
On adoptera aussi l'orientation de haut en bas comme étant
l'orientation suivant la gravité terrestre. Il sera compris que l'orientation
verticale V du
repère L, V, T peut être confondue avec l'orientation selon la gravité
terrestre, comme
représenté à titre d'exemple non limitatif. Ainsi, il sera compris qu'à titre
de variante de
l'invention qui va être décrite, la direction verticale V du repère L, V, T
peut être inclinée
par rapport à l'orientation selon la gravité terrestre.
Dans la description qui va suivre, des éléments identiques, similaires ou
analogues seront désignés par les mêmes chiffres de référence.
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On a représenté à la figure 1 un panneau 10 du type auto-raidi, qui
comporte une peau externe 12 et une pluralité de raidisseurs 14.
La peau externe 12 et les raidisseurs 14 sont réalisés en matériau
composite, c'est-à-dire qu'ils comportent des fibres en au moins un matériau,
appelées
renfort, qui sont liées entre elles par une matrice telle qu'une résine.
Le panneau 10 a, par exemple, pour but de former une partie du
fuselage ou d'une aile d'un aéronef, la peau externe 12 comporte une face
externe 12a
qui est située à l'extérieur de l'aéronef et les raidisseurs sont situés à
l'intérieur du
fuselage de l'aéronef.
Ici, le panneau 10 est représenté sous la forme d'une plaque plane
sensiblement horizontale, c'est-à-dire s'étendant dans un plan longitudinal
transversal. Il
sera compris que l'invention n'est pas limitée à cette forme du panneau 10,
qui peut
consister en une plaque cintrée et/ou courbée.
Aussi, pour faciliter la compréhension de l'invention, le panneau 10 est
représenté selon une orientation principale longitudinale transversale. Il
sera compris que
le panneau 10 peut avoir toute autre orientation sans sortir du domaine de
l'invention.
Les raidisseurs 14 sont destinés à être agencés à l'intérieur du fuselage,
ils sont donc situés du côté interne du panneau 10. Chaque raidisseur 14 est
en outre
réalisé de manière qu'il comporte une portion faisant saillie vers l'intérieur
par rapport à
une face interne 12b de la peau externe 12.
Chaque raidisseur 14 consiste en un élément allongé qui s'étend selon
une direction principale longitudinale. Puisqu'il fait saillie verticalement
par rapport à la
peau interne, il confère une raideur supplémentaire à la flexion à la peau
externe 12.
Comme on peut le voir à la figure 1, la section de chaque raidisseur 14,
selon un plan vertical transversal est en forme de L, en forme de T ou en
forme de U.
Chaque raidisseur 14 comporte une portion 18 de liaison du raidisseur 14 à la
peau
externe qui est d'orientation longitudinale transversale et qui est accolée à
la face interne
12b de la peau externe 12. Chaque raidisseur 14 comporte aussi au moins une
portion 16
en saillie, qui s'étend ici longitudinalement verticalement et qui fait
saillie verticalement
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vers le bas par rapport à la portion de liaison 18, en s'éloignant de la peau
externe 12,
depuis un bord latéral associé de la portion de liaison 18.
Les raidisseurs 14 sont disposés adjacents les uns aux autres, ils sont
répartis transversalement sur la peau externe 12 et sont accolés
transversalement les uns
aux autres au niveau de leurs portions en saillie 16.
Ainsi, chaque portion en saillie 16 d'un raidisseur 14 est accolée à une
portion en saillie 16 associée d'un raidisseur 14 adjacent. Aussi, des
raidisseurs 14 ayant
une section en forme de L sont disposés au niveau des extrémités latérales du
panneau
12 et leur seule portion en saillie 16 est accolée à une portion en saillie 16
associée d'un
raidisseur 14 adjacent.
On a représenté à la figure 2 un support 20 sur lequel le panneau 10 est
destiné à être formé.
Ce support 20, aussi appelé "marbre", consiste en un élément
globalement parallélépipédique horizontal, il comporte une face supérieure
horizontale
20s sur laquelle différentes couches de fibres sont successivement mises en
place pour
former le panneau 10.
On a représenté aux figures 3 et suivantes des étapes successives de
mise en oeuvre du procédé de réalisation du panneau 10 par un dispositif de
mise en
uvre dudit procédé.
Le panneau 10 est réalisé selon un procédé qui consiste à draper, c'est-
à-dire à mettre en place successivement des couches de fibres destinées à
former la peau
externe 12 et les raidisseurs 14 puis à les solidariser entre elles par
durcissement de la
matrice.
Selon l'invention, des couches de fibres 24 destinées à former les
raidisseurs 14 sont drapées avant la couche de fibres 22 destinée à former la
peau
externe du panneau 10. Aussi, chaque couche de fibres 24 destinée à former un
raidisseur
14 est mise en forme de manière à avoir la même forme que le raidisseur 14
qu'elle est
destinée à former.
Chaque couche de fibre 24 destinée à former un raidisseur comporte
ainsi une portion de liaison 28 destinée à former la portion de liaison 18 du
raidisseur 14
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et au moins une portion en saillie 26 longitudinale verticale faisant saillie
vers le bas
depuis un bord de la portion de liaison 28 associée, qui est destinée à former
une portion
en saillie 16 du raidisseur 14.
Pour maintenir chaque couche de fibres 24 en forme pendant des
opérations suivantes de mise en place des autres couches de fibres 22, 24
destinées à
former les autres raidisseurs 14 et la peau externe 12, ainsi que pendant
l'étape de
solidarisation des couches de fibres entre elles, le dispositif comporte un
insert 30 sur
lequel ladite couche de fibres 24 destinée à former un raidisseur 14 est
drapée.
Cet insert 30 est de forme complémentaire de la forme définitive du
raidisseur 14 à obtenir, c'est-à-dire ici, que la section de l'insert 30 selon
un plan vertical
transversal est rectangulaire. L'insert 30 comporte ainsi une paroi supérieure
horizontale
32 sur laquelle la portion de liaison 28 de la couche de fibres 24 est posée,
et deux parois
latérales 34 longitudinales verticales contre chacune desquelles une portion
en saillie 26
de la couche de fibres 24 est accolée.
De préférence, la couche de fibres 24 est mise en place sur l'insert 30
avant sa mise en place sur le support 20. Cela permet de draper plus
efficacement la
couche de fibres 24 car l'insert 30 est alors facile d'accès pour un
opérateur. Aussi, la
couche de fibres 24 est maintenue en place sur l'insert 30 par la seule action
de la gravité
terrestre, il n'y a donc besoin d'aucun dispositif de maintien supplémentaire.
L'ensemble formé par l'insert 30 et la couche de fibres 24 est mis en
place sur le support 20.
Le support 20 et l'insert 30 comportent des moyens permettant de
positionner horizontalement l'insert 30 par rapport au support 20, et par
conséquent la
couche de fibres 24 par rapport au support 20.
Ces moyens de positionnement comportent ici des clavettes qui sont
reçues dans des rainures complémentaires 36 réalisées dans le support 20 et
contre
lesquelles clavettes chaque insert 30 est en butée longitudinalement.
Le procédé de fabrication du panneau 10 comporte une étape
consistant à draper successivement les couches de fibres 24 destinées à former
les inserts
14, en positionnant sur le support 20 les ensembles dont chacun est formé par
un insert
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30 et la couche de fibres 24 associée les uns après les autres. Cette mise en
place
successive s'effectue en positionnant les ensembles sur le support 20 de
manière
adjacente les uns des autres, c'est-à-dire en positionnant chaque ensemble à
côté d'un
ensemble déjà mis en place.
Lorsque deux ensembles adjacents sont mis en place sur le support 20,
leurs inserts 30 respectifs sont décalés transversalement l'un par rapport à
l'autre et la
distance transversale "e" entre ces deux inserts 30 adjacents correspond à la
largeur
finale d'un raidisseur 14.
Deux portions verticales 26 appartenant chacune à une couche de fibre
24, sont disposées entre les deux inserts 30 adjacents.
Selon un mode de réalisation préféré, la distance transversale "e" entre
deux inserts 30 adjacents est définie de manière telle que les deux portions
verticales 26
des couches de fibres 24 sont serrées transversalement entre les deux inserts
30.
A l'issue de l'étape de mise en place, comme on peut le voir à la figure 4,
l'ensemble des couches de fibres 24 destinées à former les raidisseurs 14 sont
mises en
place sur le support 20 et chacune est maintenue dans la forme définitive du
raidisseur 14
associé par l'intermédiaire des inserts 30.
Selon un autre aspect des inserts 30, ceux-ci sont réalisés pour que
toutes les portions de liaison 28 des couches de fibres 24 soient situées à
une même
distance verticale de la face supérieure 20s du support, c'est-à-dire que
toutes les
portions de liaison 28 des couches de fibres 24 sont situées dans un même plan
horizontal.
Ensuite, selon une étape postérieure, la couche de fibres 22 destinée à
former la peau externe 12 est drapée sur le support 20, en recouvrant les
peaux 24
destinées à former les raidisseurs 14, c'est-à-dire en recouvrant les portions
de liaison 28
des couches de fibres 24 destinées à former les raidisseurs 14.
Comme on l'a dit précédemment, les portions de liaison 28 sont toutes
situées dans un même plan horizontal. Elles définissent ainsi à leur tour un
plan
horizontal sur lequel la couche de fibres 22 destinée à former la peau externe
12 est
drapée.
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A l'issue de cette étape postérieure, l'ensemble des peaux 22, 24
destinées à former le panneau 10 sont toutes mises en place sur le support 20.
Chaque
portion verticale d'une couche de fibres 24 destinée à former un raidisseur 14
s'étend
vers le bas et est maintenue par la gravité terrestre dans cette
configuration. Il n'y a donc
5 -- pas de risque qu'elle se déforme dans la suite du procédé.
Il en est de même pour la couche de fibres 22 destinée à former la peau
externe 12 qui s'appuie naturellement vers le bas par la gravité terrestre sur
les portions
de liaison 28 des couches de fibres 24. Comme représenté à la figure 5 les
peaux 22, 24
sont ensuite recouvertes par différentes couches de matériaux d'environnement
qui
10 seront utilisées lors de d'une étape ultérieure de solidarisation des
couches de fibres 22,
24.
Ces couches de matériaux d'environnement consistent notamment en
un sac à vide 40 disposé à l'extérieur de l'ensemble, un tissu 42 facilitant
le démoulage,
un tissu ou feutre 44 de drainage du vide et des systèmes 46 pour faire le
vide sous le sac
-- à vide 40 et une tôle de lissage "caul plate" 47 pour améliorer l'état de
surface de la face
externe 12a de la peau externe 12.
Le procédé comporte une étape suivante de solidarisation des fibres,
pour obtenir le panneau.
Cette étape consiste à injecter une résine pour lier entre elles les fibres
-- des différentes couches 22, 24 et lier ensemble les couches de fibres 22,
24.
La résine est injectée à partir du support 20, depuis le bas vers le haut.
Ainsi, les couches de fibres 22, 24 sont imprégnées à partir des extrémités
inférieures
libres de leurs portions en sai11ie26 jusqu'à la couche de fibres 22 destinée
à former la
peau externe 12, en s'écoulant entre deux inserts 30 adjacents, dans l'espace
défini par
-- leurs parois latérales 34 en vis-à-vis, entre lesquelles les portions
verticales 26 des
couches de fibres 24 sont reçues.
Le support 20 comporte à cet effet des orifices 48 d'injection de résine
qui débouchent dans la face supérieure 20s horizontale du support 20. De
préférence, ces
orifices débouchent dans les rainures 36 permettant le positionnement
transversal des
-- inserts 30 sur le support 20.
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Comme on peut le voir à la figure 3, le positionnement des rainures 36
sur le support 20 est défini pour que les clavettes coopérant avec les inserts
30 soient
situées au niveau des parois latérales 34 des inserts 30. Ainsi, les rainures
longitudinales
36 sont situées transversalement au niveau des portions verticales en saillie
26 des
couches de fibres 24.
Après que la résine ait été entièrement injectée et que l'air ait été
supprimé, la résine est durcie, par exemple sous une étuve.
Selon un autre aspect du dispositif, le support 20 est réalisé en un
matériau ayant un faible coefficient de dilatation thermique, ce qui permet de
limiter ses
variations dimensionnelles. A titre d'exemple, le matériau constitutif du
support 20 est un
alliage de fer et de nickel, connu sous la dénomination "Invar". Aussi, les
inserts 30 sont
réalisés en un matériau ayant un coefficient de dilatation thermique
relativement élevé,
tel que par exemple en aluminium.
Cela permet de faciliter la désolidarisation et le démoulage des inserts
30 d'avec le panneau 10 fini, malgré les orientations verticales des faces
verticales d'appui
en vis-à-vis entre les inserts 30 et les raidisseurs 14 ainsi obtenus. Il n'y
a donc pas besoin
de réaliser les raidisseurs 14 et les inserts 30 avec des angles de dépouille.
Selon une variante de réalisation du panneau auto-raidi 10, celui-ci
comporte des accessoires métalliques 50 qui sont intégrés au panneau 10 lors
de sa
réalisation.
Ces accessoires métalliques 50, tels que par exemple des ferrures de
compression, permettent notamment de former des supports sur lesquels des
composants de l'aéronef seront ultérieurement montés.
Selon cette variante de réalisation, les accessoires 50 sont mis en place
sur les inserts 30 ou sur des inserts spécifiques simultanément à l'étape de
mise en place
des couches de fibres 22, 24, et de préférence, simultanément à l'étape de
mise en place
des couches de fibres 24 destinées à former les raidisseurs 14 sur les inserts
30. Les
inserts 30 sont aptes à porter les accessoires 50, pour leur positionnement
par rapport
aux couches de fibres 22, 24 et par rapport au support 20. Selon encore une
autre
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variante de réalisation, chaque insert 30 comporte des évidements (non
représentés)
aptes à recevoir en partie les accessoires 50.
Ici, comme représenté à la figure 6, chaque accessoire 50 consiste en
une ferrure de compression comportant une paroi longitudinale transversale 52
qui est
située dans le même plan que la portion de liaison 18 du raidisseur 14
associé, deux
portions latérales 54 longitudinales verticales dont chacune est située dans
un plan d'une
portion en saillie 16 du raidisseur 14, et une portion 56 verticale
transversale reliée aux
extrémités longitudinales des autres portions 52, 54 de la ferrure 50.
La ferrure 50 est située ici à une extrémité longitudinale du panneau 10.
Ainsi, lors de sa mise en place, la ferrure 50 recouvre une extrémité
longitudinale de l'insert 30 associé.
Il sera compris que l'invention n'est pas limitée à un panneau 10
comportant uniquement des raidisseurs 14 comportant des portions en saillie 16
longitudinales verticales et que le panneau peut aussi comporter des
raidisseurs 14
.. comportant des portions en saillie verticales transversales.
Le procédé de fabrication d'un panneau comportant de tels raidisseurs
14 est similaire au procédé qui vient d'être décrit et le dispositif est
adapté à ces portions
en saillie verticales transversales.
Pour cela, le dispositif comporte plusieurs inserts 30 alignés
longitudinalement qui sont décalés longitudinalement pour permettre de former
les
portions en saillie verticales transversales.
L'insert comporte en outre des rainures transversales 60 représentées à
la figure 2, qui permettent le positionnement longitudinal des inserts 20 sur
le support 30
et dans lesquelles des orifices d'injection débouchent pour l'injection de la
résine.
