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PROCEDE DE DEMOULAGE D'UN MATÉRIAU COMPOSITE A MATRICE
ORGANIQUE
Arrière-plan de l'invention
La présente invention concerne le domaine des matériaux
composites comprenant une matrice polymère renforcée par une structure
fibreuse et plus particulièrement l'utilisation de ces matériaux dans la
fabrication de pièces aéronautiques ou de turbomachines.
Dans le domaine aéronautique, on cherche à réduire la masse des
composants des moteurs tout en maintenant à un haut niveau leurs
propriétés mécaniques. Plus particulièrement, dans une turbomachine
aéronautique, le carter de soufflante définissant le contour de la veine
d'entrée d'air du moteur et à l'intérieur duquel est logé le rotor supportant
les aubes de la soufflante est maintenant réalisé en matériau composite.
De forme de révolution, il comprend une virole pourvue à ses extrémités
amont et aval de brides externes pour la fixation à d'autres parties
structurelles du moteur, comme le profil d'entrée d'air à l'amont et le
carter intermédiaire à l'aval.
La fabrication d'un carter de soufflante en matériau composite
notamment par le procédé de moulage par injection dit RTM (pour Resin
Transfert Moulding) débute par la mise en place par enroulement d'un
renfort en fibres sur un mandrin dont le profil épouse celui du carter à
réaliser. Le renfort fibreux peut, par exemple, être réalisé par tissage
tridimensionnel ou multicouche comme cela est décrit dans le brevet
US 8 322 971. Ce renfort fibreux constitue une préforme fibreuse tubulaire
formant une seule pièce avec des flasques correspondant aux brides du
carter. La fabrication se poursuit par la densification de la préforme
fibreuse par une matrice polymère qui consiste, sous pression et
température contrôlées, à imprégner la préforme par une résine et à
polymériser cette dernière pour obtenir la pièce finale dont les excès de
résine seront enlevés et des chanfreins usinés pour former le carter
souhaité.
Comme l'illustre la figure 4A, la préforme fibreuse 10 est de façon
générale enroulée sur quatre tours et un n-ième de tour (par exemple
entre un seizième et un huitième de tour) sur un outillage d'injection 12.
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Le n-ième de cinquième tour permet d'avoir un recouvrement garantissant
la tenue mécanique du carter au niveau du début d'enroulement. En fin
d'enroulement, la préforme est découpée manuellement à la longueur
souhaitée, cette découpe manuelle engendrant toutefois des variations de
longueur et de rectitude de la fin de cette préforme. Une fois la préforme
découpée, un ensemble 14 de contres moules d'injection est mis en place
avant imprégnation de la préforme.
Comme l'illustre plus précisément la figure 4B, cet ensemble
consiste à la fois en des patins de compactage 16A pour positionner et
compacter correctement les brides et en des contres moules 16B
proprement dits (au nombre de six sur la figure sans que ce nombre ne
soit inférieur à trois du fait du foisonnement de la préforme) qui prennent
appui sur les patins de compactage et viennent former la partie veine du
carter que l'on souhaite obtenir. L'ensemble étant vissé à l'outillage
d'injection 12, sa position est déterminée par la position des vis 18 et ne
peut donc être ajustée.
Or, une telle fixation rigide n'est pas sans présenter certains
inconvénients. En effet, l'épaisseur de la préforme avant fermeture de
l'outillage étant supérieure à l'épaisseur finale de la pièce, lors de la
fermeture du premier insert, il y a donc un léger ressaut de la préforme
entre la partie compactée 20A et la partie libre 20B, comme le montre le
détail de la figure 5A. Et, la fermeture des inserts se faisant radialement,
lors de la fermeture de l'insert suivant, ce ressaut peut alors se retrouver
coincer et les fibres peuvent se déformer voir être coupées en fonction du
défaut. Les zones de jonction entre les patins de compactage et les
contres moules sont aussi propices à un tel pincement de fibre.
De même, l'un (référencé 22 sur la figure 4A) des contre-moules
intégrant l'épaisseur du cinquième tour, il est donc important de maîtriser
la position du début d'enroulement. En effet, si lors de la fermeture de
l'outillage, l'enroulement commence trop tôt ou si la préforme est trop
longue, une zone riche en fibre (sur-compactée) sera présente après
injection alors que si, au contraire, l'enroulement commence trop tard ou
la préforme est trop courte, il va y avoir un espace entre la marche dans
le contre moule et la préforme, créant une zone riche en résine (voir la
référence 24 de la figure 5B). En fonction de la qualité de la découpe
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manuelle, ces deux anomalies peuvent en outre être présentes sur une
même pièce.
Objet et résumé de l'invention
L'invention a donc pour but de proposer un procédé d'imprégnation
et un outillage d'injection pour la fabrication d'un carter de turbine à gaz
en matériau composite qui évite les pincements de fibres ou les défauts de
compactage précités. Un autre but de l'invention est de simplifier la
structure multisectorielle actuelle du contre-moule pour réduire les défauts
d'étanchéité existant entre chaque secteur de ce contre-moule.
Ce but est atteint grâce à un procédé d'imprégnation dans un
outillage d'injection d'une préforme fibreuse par une résine polymère pour
la fabrication d'une pièce de révolution en matériau composite, caractérisé
en ce qu'il comporte les étapes suivantes :
. recouvrir ladite préforme fibreuse d'une membrane souple en fin
d'enroulement de ladite préforme fibreuse,
. placer ladite préforme fibreuse ainsi recouverte de ladite
membrane souple dans ledit outillage d'injection,
. fermer ledit outillage d'injection avec au moins deux contre-moules
en laissant entre ledit outillage d'injection et lesdits au moins deux contre-
moules un espace libre, et
. remplir ledit espace libre avec un fluide de compaction mis sous
pression.
Ainsi, l'introduction d'une membrane souple associée à la cavité de
compaction élimine les pincements de fibres et les défauts de compactage
qui ne sont plus possibles.
Avantageusement, ladite mise sous pression du fluide de
compaction est agencée pour compacter ladite préforme fibreuse à
l'épaisseur souhaitée en déformant ladite membrane souple pour s'adapter
au contour et aux défauts de découpe de ladite préforme fibreuse.
De préférence, ladite membrane souple est agencée pour être
suffisamment rigide afin de transmettre la pression dudit fluide de
compaction.
Avantageusement, ledit espace libre est agencé pour assurer un
maximum de jeu entre ladite membrane souple et lesdits au moins deux
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contre-moules tout en limitant la quantité dudit fluide de compaction à
utiliser pour remplir ledit espace libre.
L'invention concerne également un outillage d'injection d'une résine
polymère dans une préforme fibreuse pour la fabrication d'une pièce de
révolution en matériau composite, caractérisé en ce qu'il comporte :
. au moins deux contre-moules destinés à fermer ledit outillage
d'injection,
. une membrane souple destinée à recouvrir ladite préforme
fibreuse en fin d'enroulement, et
. un espace libre pratiqué entre lesdits au moins deux contre-
moules et ladite membrane souple une fois celle-ci placée avec ladite
préforme fibreuse dans ledit outillage d'injection et destiné à recevoir un
fluide de compaction via un orifice d'admission.
Selon un mode réalisation préférentiel, ladite pièce de révolution en
matériau composite est un carter de soufflante.
Avantageusement, ladite membrane souple est une silicone et ledit
fluide de compaction est une huile de chauffage ou une huile compatible
alimentaire incompressible.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de
la description suivante de modes particuliers de réalisation de l'invention,
donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins
annexés, sur lesquels :
- les figures 1A et 1B montrent deux vues d'un outillage
d'injection conforme à l'invention dans une première étape de réalisation
d'un carter de soufflante,
- les figures 2A et 2B montrent deux vues d'un outillage
d'injection conforme à l'invention dans une deuxième étape de réalisation
d'un carter de soufflante,
- les figures 3A et 3B montrent deux vues d'un outillage
d'injection conforme à l'invention dans une troisième étape de réalisation
d'un carter de soufflante,
- les figures 4A et 4B illustrent deux vues d'un outillage
d'injection de l'art antérieur utilisé pour la fabrication du carter de
soufflante,
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- la figure 5A montre un exemple de pincements de fibres
résultant de l'utilisation de l'outillage d'injection de l'art antérieur, et
- la figure 58 montre un exemple de défauts de compactage
de fibres résultant de l'utilisation de l'outillage d'injection de l'art
antérieur.
Description détaillée de modes de réalisation
L'invention s'applique d'une manière générale à toute pièce en
matériau composite à matrice polymère de turbine à gaz. L'invention sera
toutefois décrite ci-après dans le cadre de son application à un carter de
soufflante de moteur aéronautique à turbine à gaz.
Selon l'invention, il est proposé pour résoudre le problème posé par
les pincements de fibres et défauts de compactage (zone sur-compactée
ou au contraire riche en résine), de recouvrir la préforme fibreuse d'une
membrane souple avant la mise en place des contre-moules et de laisser
entre les deux un espace libre pour l'injection d'un fluide de compaction.
Les figures 1A et 1B illustrent la première étape du procédé de
l'invention dans laquelle une membrane souple 30 est placée sur la
préforme fibreuse 10 en fin d'enroulement. La membrane étant souple (de
préférence en matériau caoutchouc de type silicone, elle peut s'adapter
aux défauts de longueur/positionnement de la préforme. L'ensemble
préforme/membrane ainsi formé est alors mise en place dans l'outillage
d'injection 12 qui, comme il est connu, est notamment constitué de fûts
amont et aval ainsi que de flasques amont et aval.
Les fûts amont et aval sont en principe jointifs sur un diamètre
rentrant (en général le diamètre le plus faible de la veine) pour permettre
un démoulage suivant les dépouilles naturelles de la veine de part et
d'autre de cette jonction et sont solidarisés entre eux à cette jonction. Les
flasques amont et aval destinés au moulage des brides externes du carter
sont solidarisés à ces fûts. Toutefois, le flasque amont et le fût amont
peuvent aussi être issus d'une même pièce, de même que le flasque aval
et le fût aval.
La deuxième étape du procédé dans laquelle deux contre-moules
32A, 328 sont placés par-dessus la membrane en laissant un espace libre
34 entre cette membrane souple et les contre-moules est illustrée aux
figures 2A et 28. Les contre-moules sont fixés sur l'outillage d'injection 12
de façon classique, par exemple par les vis 18. On notera qu'ainsi, de par
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le jeu existant entre cette membrane souple et les contre-moules, le
nombre de contre-moules peut être réduit à deux (même si un nombre
supérieur est bien entendu possible). Outre que la fabrication, la mise en
place et la maintenance de ces contre-moules en sont grandement
facilités, la gestion de l'étanchéité en est aussi simplifiée du fait de
l'existence de seulement deux plans de joints.
Les figures 3A et 3B illustrent la troisième étape du procédé de
l'invention dans laquelle l'espace libre 34 est rempli d'un fluide de
compaction incompressible 36, par exemple de l'huile de chauffage
(mazout) ou de l'huile compatible alimentaire, mis sous pression depuis un
dispositif d'alimentation externe (non représenté) et qui a pour objet de
compacter la préforme fibreuse 10 à l'épaisseur souhaitée en déformant la
membrane souple 30 dont la forme va donc s'adapter au contour et aux
défauts de découpe de cette préforme fibreuse. La membrane bien que
souple doit toutefois être conçue afin d'être suffisamment rigide afin de
transmettre la pression du fluide incompressible assurant la compaction.
Ainsi, la pièce est réalisée sans pincement de fibres aux interfaces
des contre-moules. Les patins de compactage deviennent inutiles. De
même, lors de l'imprégnation ultérieure de la préforme fibreuse, il n'y aura
pas de zone riche en résine ou en fibre. Il n'y a donc pas besoin de
positionner précisément la préforme en début d'enroulement puisque
l'élasticité de la membrane s'accommode de toute surépaisseur.
On notera que l'espace libre 34 formant cavité de compaction doit
bien entendu être déterminé afin d'assurer un maximum de jeu entre la
membrane souple et les contre-moules tout en limitant la quantité de
fluide incompressible à utiliser pour remplir cette cavité.
Les étapes suivantes du processus d'injection durant sa phase de
moulage ne diffèrent pas du processus classique d'injection RTM,
l'outillage d'injection formant avec les contre-moules un moule fermé de
manière étanche dans lequel la préforme fibreuse est placée et on pourra
donc y injecter la résine polymère (de préférence une résine liquide
thermodurcissable à faible viscosité) pour imprégner toute la partie
fibreuse de la préforme. La polymérisation est ensuite réalisée
généralement par chauffage du moule selon un ou plusieurs cycles
consécutifs pour parvenir au degré de densification souhaité. L'injection et
la polymérisation achevées, la pièce finalement obtenue peut alors être
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démoulée selon des étapes de mises en uvre aussi classiques. On
prendra soin bien entendu, du fait de leurs dimensions (plusieurs mètres
de diamètre) et de leurs masses (plusieurs tonnes), de manipuler toutes
ces pièces avec précaution et les retraits s'effectueront donc de préférence
au moyen d'un palan ou tout autre système de levage similaire de type
connu en soi, chacune des pièces du moule comportant alors des organes
nécessaires à leur déplacement.
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