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CA 02930372 2016-05-11
WO 2015/079146 PCT/FR2014/052994
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Procédé de réparation de panneaux sandwich en matériaux composites
comportant la réalisation d'une âme ou d'un moule par stéréolithographie
La présente invention concerne un procédé de réparation de panneaux
sandwich en matériaux composites, ainsi qu'un panneau sandwich et une
nacelle de turboréacteur réparés avec un tel procédé.
Les panneaux sandwich en matériaux composites, disposant d'une âme
centrale recouverte par deux peaux extérieures, constituent un ensemble de
masse réduite comportant une forte rigidité.
On peut réaliser des panneaux de forme quelconque qui sont de plus en
plus utilisés, notamment dans le domaine aéronautique. On utilise en
particulier
ce type de panneau dans des nacelles contenant un turboréacteur, afin de
réaliser des structures rigides comportant un bon profilage aérodynamique.
La réalisation de ces panneaux comporte généralement la fabrication
d'une âme qui peut être une mousse rigide, ou une structure disposant
d'alvéoles transversales en forme de nid d'abeille, en matière plastique ou en
alliage d'aluminium notamment, qui est drapée dans des fibres imprégnées de
résine formant des plis constituant une peau sur chaque face.
Cet ensemble est ensuite pressé dans un moule, puis cuit dans un four
afin de polymériser la résine. On obtient des panneaux pouvant prendre des
formes quelconques, comportant une résistance particulière qui peut être
ajustée en définissant l'épaisseur de l'âme, ainsi que la nature et le nombre
de
plis disposés localement sur chaque face.
En cas de choc important sur ce type de panneaux sandwich, utilisés
notamment dans le domaine aéronautique, causant un endommagement de
l'âme, en particulier une perforation traversante du panneau, on remplace
alors
habituellement le panneau complet afin de disposer d'une pièce de
remplacement comportant des caractéristiques de résistance, de forme ainsi
que d'aspect qui restent similaires.
Cependant ces remplacements peuvent nécessiter un délai
d'approvisionnement des nouvelles pièces, qu'il faut alors fabriquer si aucune
pièce n'est disponible en stock. De plus le coût d'une nouvelle pièce peut
être
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relativement onéreux, l'impact écologique d'une pièce entière mise au rebut
est
important, et le changement complet de la pièce peut donner une mauvaise
image aux clients.
La présente invention a notamment pour but d'éviter ces inconvénients de
la technique antérieure.
Elle propose à cet effet un procédé de réparation de panneaux sandwich
en matériaux composites comportant une âme recevant une peau sur chaque
face, après un choc ayant endommagé l'âme ou une peau de ce panneau,
remarquable en ce qu'il comporte l'acquisition d'un modèle numérique de la
forme de la zone endommagée, puis la réalisation par un procédé de
stéréolithographie à partir du modèle numérique, d'une âme et / ou d'une peau
de remplacement, ou d'un moule dans lequel on va mouler cette âme de
remplacement et / ou d'un moule dans lequel on va mouler cette peau de
remplacement sur laquelle sera collée une âme, ensuite la réalisation d'une
pièce de remplacement comprenant cette âme et / ou cette peau, puis la mise
en place de cette pièce qui est ajustée à l'intérieur d'une ouverture découpée
dans le panneau sandwich autour de l'endommagement, et enfin la fixation de
la pièce de remplacement sur le panneau.
Un avantage de ce procédé de réparation est qu'a partir d'un modèle
numérique de la forme reçu du fabricant du panneau, ou acquis directement
par des mesures sur le panneau endommagé, on peut réaliser de manière
simple et rapide par le procédé de stéréolithographie, sans délai
d'approvisionnement de pièces particulières, un moule ou une âme
correspondant exactement à la forme de la zone endommagée. Ce moule ou
cette âme permet de produire ensuite la pièce de remplacement comprenant
les formes d'origine, qui va remplacer de manière économique seulement la
zone du panneau endommagée.
Le procédé de réparation selon l'invention peut comporter de plus une ou
plusieurs des caractéristiques suivantes, qui peuvent être combinées entre
elles.
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Suivant un mode de réalisation, la stéréolithographie réalise un moule ou
une âme et / ou une peau de remplacement à partir d'une polymérisation de
résines sous l'effet de la lumière et de la chaleur.
Suivant un autre mode de réalisation, la stéréolithographie réalise un
moule, ou une âme et / ou une peau métalliques ou céramiques, à partir de
mélanges de poudres avec une pâte composée de résine photosensible.
En particulier le procédé de réparation peut réaliser une âme et / ou une
peau métallique poreuse. Cette âme et / ou cette peau peuvent
avantageusement comporter des caractéristiques similaires à celles de l'âme
et/ou de la peau d'origine.
Avantageusement, le procédé selon l'invention peut réaliser une âme de
remplacement métallique poreuse.
Avantageusement, le procédé de réparation réalise la pièce de
remplacement en recouvrant l'âme de remplacement de premières couches de
plis qui sont drapées dessus, l'ensemble des plis constituant au moins une
partie d'au moins l'une des deux peaux du panneau sandwich à réparer. On
peut ainsi renforcer cette âme pour préparer la pièce de remplacement.
Les couches de plis peuvent être drapées directement sur le moule.
La pièce de remplacement est fixée par éclissage mécanique sur le
panneau à réparer, c'est-à-dire qu'elle est fixée via au moins une pièce de
jonction métallique ou composite fixée sur la pièce de remplacement et sur le
panneau sandwich à réparer par des fixations traversant de part en part le
panneau sandwich ou non.
Avantageusement, le procédé de réparation réalise la fixation de la pièce
de remplacement dans l'ouverture du panneau, par la dépose de plis de
recouvrement sur les deux faces du panneau. On obtient ainsi une continuité
des deux peaux du panneau qui lui donne sa rigidité.
L'invention a aussi pour objet un panneau sandwich en matériaux
composites comportant une âme recevant une peau sur chaque face, ce
panneau ayant reçu une pièce de remplacement ajustée dans une ouverture
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pour effectuer une réparation, avec un procédé de réparation comprenant l'une
quelconque des caractéristiques précédentes.
L'invention a de plus pour objet une nacelle de turboréacteur prévue pour
un aéronef, comprenant des panneaux sandwich en matériaux composites
comportant une âme recevant une peau sur chaque face, ce panneau ayant
reçu une pièce de remplacement ajustée dans une ouverture pour effectuer
une réparation, avec un procédé de réparation comprenant l'une quelconque
des caractéristiques précédentes.
L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages
apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après donnée à
titre d'exemple, en référence à la figure 1 annexée qui est un schéma
présentant un procédé de réparation selon l'invention.
La figure 1 présente dans une première étape A un panneau sandwich
disposant d'une âme 2 comprenant sur chaque face une peau 4 réalisée en
matériaux composites. Le panneau sandwich comporte une courbure
particulière réalisée par moulage avant la cuisson des matériaux composites,
ce moulage donnant aussi un état de surface régulier et lisse.
On peut en particulier réaliser des panneaux constituant des viroles
formant des surfaces externe ou interne de nacelles d'aéronefs, qui disposent
de formes aérodynamiques soignées apportant un bon rendement.
Le panneau a reçu dans une courbure un choc important, formant une
zone endommagée comportant un perçage 6 le traversant complètement.
Dans une deuxième étape B on réalise autour de la zone endommagée
une découpe sur toute l'épaisseur du panneau afin de conserver uniquement la
partie saine et non déformée de ce panneau, pour constituer une ouverture 6
comprenant un contour de forme simple, disposant de bords de découpe
perpendiculaires à la surface 8 qui sont net.
Une étape suivante C pouvant être effectuée en parallèle, comporte la
réalisation d'un fichier numérique qui peut être la reprise 22 de plans
numériques du fabricant d'origine du panneau, comme un modèle CAO ayant
servi au dessin ou à la fabrication de ce panneau, ou la reconstitution 24
d'un
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plan numérique à partir de mesures effectuées directement sur le panneau
endommagé.
Suivant un premier mode de réalisation, une étape suivante D comporte la
réalisation d'un moule 10 à partir du fichier numérique, réalisé par un
procédé
5 de stéréolithographie, qui comporte une surface intérieure lisse 12
disposant
d'une courbure correspondant à celle du panneau dans sa partie
endommagée.
Une étape suivante E comporte la réalisation d'une âme 14 et / ou d'une
peau de réparation dans le moule 10, à partir de matériaux et suivant des
procédés de moulage connus, couvrant une surface au moins égale à
l'ouverture du panneau 6 qui est à remplacer ; la peau 4 de réparation est
destinée à être collée à une âme (2, 14).
Suivant un deuxième mode de réalisation, en variante de ces deux
dernières étapes D, E, on réalise directement dans une autre étape F une âme
14 et / ou une peau 4 obtenue aussi par le procédé de stéréolithographie, et
comprenant de la même manière une courbure correspondant à celle du
panneau dans sa partie endommagée.
La stéréolithographie est une technique appelée aussi prototypage rapide,
qui permet de fabriquer des objets solides à partir d'un modèle numérique, en
réalisant une superposition de tranches fines de matière.
Le modèle numérique en trois dimensions est découpé en tranches fines
d'épaisseur constante, comprenant un contour en deux dimensions. Cette
épaisseur choisie par l'opérateur détermine la résolution de la restitution,
et
donc la précision de l'objet qui va être produit.
Il existe plusieurs procédés de stéréolithographie.
Le procédé le plus ancien est la photo-polymérisation, reposant sur les
propriétés de certaines résines à polymériser sous l'effet de la lumière et de
la
chaleur.La résine utilisée est généralement un mélange de monomères
acrylates ou époxys, et d'un photo-initiateur qui initie la polymérisation du
matériau sous l'effet de la lumière.
Dans ce procédé une plateforme mobile plongée dans une cuve de résine
liquide, supporte le modèle en cours de fabrication. Un laser fixe comporte un
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dispositif de contrôle du faisceau, et un autre d'orientation de ce faisceau
permettant de le diriger en n'importe quel point de la plateforme.
Les tranches constituant le modèle sont ensuite traitées une par une. Le
faisceau laser balaye la surface de résine liquide en fonction de la forme de
la
tranche définie par un logiciel, afin de solidifier une tranche en réalisant
un
polymère solide. La plateforme descend ensuite d'une hauteur correspondant à
l'épaisseur de la tranche suivant la résolution choisie, et le processus se
renouvelle pour former une nouvelle tranche entièrement solidaire de la
précédente.
Après un rinçage du modèle obtenu pour éliminer la résine non
polymérisée, la dernière étape comporte une cuisson de l'objet afin de le
durcir.
Une méthode développée plus récemment permet de produire des pièces
métalliques ou céramiques, en mélangeant des poudres correspondantes à
une pâte composée de résine photosensible.
Le mélange une fois insolé par le rayonnement laser, forme un réseau
polymère emprisonnant les particules minérales. A la fin, un traitement
thermique de l'objet permet d'obtenir une céramique dense.
On peut ainsi avec ce dernier procédé réaliser directement dans l'étape F,
une âme 14 en matériaux métalliques ou céramiques, qui peut être poreuse ou
non, reproduisant précisément la partie d'origine de l'âme du panneau qui a
été
enlevée.
Après l'un des deux modes de réalisation de l'âme 14, une étape suivante
G comporte la préparation d'une pièce de remplacement 18 comprenant cette
âme, qui est recouverte si nécessaire de premières couches de plis 16 qui sont
drapées dessus et subissent une première cuisson, afin de donner à cette
pièce une certaine résistance.
Si nécessaire on retouche la découpe du contour de la pièce de
remplacement 18, afin d'assurer son ajustement dans l'ouverture du panneau
6.
La dernière étape H comporte l'ajustement de la pièce de remplacement
18 dans l'ouverture du panneau 6, puis la fixation de cette pièce par un moyen
connu de raccordement, comprenant par exemple la dépose de plis de
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recouvrement 20 sur les deux faces du panneau afin d'obtenir une solidité
maximum de l'ensemble.
On obtient ainsi un panneau réparé qui a retrouvé l'intégrité de son âme
intérieure et / ou de sa ou ses peaux 4 externes, et qui peut comporter des
caractéristiques similaires à celles du panneau d'origine, notamment en ce qui
concerne les propriétés mécaniques, aérodynamiques et acoustiques.
En particulier pour des panneaux subissant différents types de contraintes
spécifiques, comme des panneaux d'une nacelle de turboréacteur pour
lesquels la masse, et les performances aérodynamiques ainsi qu'acoustiques
données par des formes particulières qui doivent être respectées, sont
importantes, ce type de réparation rapide et économique convient
particulièrement.
