Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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WO 2011/116967 1 PCT/EP2011/001479
PROCEDE DE FABRICATION D'UN ORGANE MECANIQUE EN
MATERIAU COMPOSITE AYANT UNE TENUE MECANIQUE ACCRUE EN
TRACTION-COMPRESSION ET EN FLEXION
L'invention concerne un procédé pour fabriquer en
matériau composite un organe mécanique tel qu'une bielle
de contrefiche d'atterrisseur d'aéronef.
ARRIERE PLAN DE L'INVENTION
Il est connu, notamment du document de brevet
FR2932409 de fabriquer une telle bielle à partir d'un
mandrin sur lequel on tresse une ou plusieurs couches de
fibres de carbone se superposant radialement les unes aux
autres.
Cet ensemble est ensuite installé dans un moule
pour injecter de la résine dans les différentes couches
portées par le mandrin avant de polymériser cette résine,
par exemple par chauffage, afin de constituer une bielle
brute rigide pouvant être usinée au niveau de ses
interfaces pour y former des chapes.
Le tressage des couches de fibres renforçantes
est alors assuré avec une installation de tressage qui
est représentée en figure 1 en y étant repérée par 1.
Cette installation comporte essentiellement un anneau 2
s'étendant dans un plan vertical, l'axe de révolution AX
de cet anneau étant ainsi horizontal. Cet anneau 2 porte
un ensemble de bobines de fibres renforçantes 3,
convergeant vers une région située sur l'axe AX et
décalée par rapport au plan de l'anneau.
Lorsque le cycle de tressage est lancé, le
mandrin qui est repéré par 4 est déplacé le long de l'axe
AX pour traverser l'anneau 2 au delà du point de
convergence des fibres. En même temps, les bobines
portées sur l'anneau 2 par des supports mobiles motorisés
sont actionnées, pour fabriquer une chaussette de fibres
renforçantes à la face externe de ce mandrin 4.
Cette chaussette recouvre le.-mandrin sur toute sa
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longueur une fois qu'il a complètement traversé l'anneau,
c'est-à-dire une fois qu'il est situé au delà du point de
convergence des fibres.
La couche de fibres renforçantes est alors
sectionnée en aval du mandrin, et le mandrin est démonté,
puis replacé en arrière de l'anneau, afin de le traverser
à nouveau pour la formation d'une seconde couche de
fibres renforçantes se superposant radialement à la
première.
Ainsi, comme représenté schématiquement en figure
2, on peut fabriquer une structure générale comportant
dans sa région centrale le mandrin formant support pour
deux couches de fibres tressées 6, 7, ou plus, qui
s'étendent tout autour de celui-ci et sur toute sa
longueur.
Concrètement, comme représenté en figure 2, une
couche tressée comporte d'une part des fibres dites de
fuseau 8 et 9 qui sont inclinées par exemple à environ
trente degrés d'un côté et de l'autre par rapport à l'axe
AX, et d'autre part des fibres longitudinales 11,
parallèles à l'axe AX, qui sont maintenues en position
par les fibres de fuseaux 8 et 9 qui les entrelacent.
Dans une telle bielle, ce sont essentiellement
les fibres longitudinales qui supportent les contraintes
mécaniques apparaissant lorsque la bielle est sollicitée
en traction-compression selon l'axe AX, et lorsqu'elle
est sollicitée en flexion autour de tout axe normal à
l'axe AX.
Compte tenu de la tension des fibres de fuseau
nécessaire au tressage, et contrairement à la
représentation schématique de la figure 3, les fibres
longitudinales 11 sont en fait ondulées au lieu d'être
rectilignes, ce qui pénalise le niveau de contraintes
mécaniques qu'elles sont capables de supporter selon la
direction AX.
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Cette perte de résistance selon la direction
longitudinale est d'autant plus importante que
l'ondulation des fibres longitudinales est élevée, car la
tension appliquées aux fibres durant le tressage doit
elle-même être importante afin d'assurer à l'ensemble la
plus grande compacité possible.
OBJET DE L'INVENTION
Le but de l'invention est de proposer une
solution pour remédier à cet inconvénient.
RESUME DE L'INVENTION
A cet effet, l'invention a pour objet un procédé
de fabrication d'un organe mécanique en matériau
composite, tel qu'une bielle en matériau composite,
comprenant des opérations successives d'application de
couches de fibres renforçantes tressées tout autour d'un
mandrin et sur tout ou partie de la longueur de ce
mandrin en étant superposées radialement les unes aux
autres, comportant entre deux opérations d'application de
couches de fibres renforçantes tressées, une étape :
- de mise en place sur la dernière couche de
fibres tressées, d'au moins un élément formé de fibres
renforçantes pultrudées, chaque élément pultrudé étant
orienté longitudinalement et s'étendant sur au moins une
portion de la longueur du mandrin ;
- et de fixation au moins temporaire de chaque
élément pultrudé à la dernière couche de fibres
renforçantes tressée,
et dans lequel une fois que tous les éléments
pultrudés ont été mis en place et que toutes les couches
tressées ont été appliquées, une résine est injectée dans
les différentes couches tressées avant de polymériser
l'ensemble pour constituer une pièce brute.
Avec cette solution, les éléments pultrudés
constituent un ensemble de fibres qui restent
sensiblement rectilignes après assemblage avec les
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couches tressées et après injection et polymérisation de
la résine, ce qui permet d'accroître significativement la
tenue mécanique selon la direction longitudinale.
L'invention a également pour objet un procédé tel
que défini ci-dessus, dans lequel chaque élément pultrudé
est de type tige pleine.
L'invention a également pour objet un procédé tel
que défini ci-dessus, dans lequel la fixation de chaque
élément pultrudé appliqué contre une même couche de
fibres renforçantes est assurée avec un produit de type
colle ou résine.
L'invention a également pour objet un procédé tel
que défini ci-dessus, dans lequel la fixation de chaque
élément pultrudé appliqué contre une même couche de
fibres renforçantes est assurée avec un lien passé autour
de l'ensemble constitué par le mandrin avec les couches
qu'il porte et les éléments pultrudés à fixer.
L'invention a également pour objet un procédé tel
que défini ci-dessus, dans lequel on applique contre une
même couche de fibres tressées plusieurs éléments
pultrudés qui sont régulièrement espacés les uns des
autres autour de la direction longitudinale du mandrin.
L'invention a également pour objet un procédé tel
que défini ci-dessus, dans lequel on assemble différents
éléments pultrudés en les reliant les uns aux autres par
un ou plusieurs liens transversaux pour constituer un
assemblage de type claie, avant de mettre en place cet
assemblage sur une même couche de fibres renforçantes.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
La figure 1 est une représentation schématique
montrant en perspective une machine de tressage connue
avec un mandrin destiné à recevoir une couche de fibres
tressées ;
La figure 2 est une vue schématique en section
transversale montrant les couches constituant une bielle
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en matériau composite connue ;
La figure 3 est une vue schématique montrant une
portion de fibres renforçantes tressées représentée en
perspective ;
La figure 4 est une vue schématique en section
transversale d'un corps de bielle à section cylindrique
fabriqué conformément au procédé selon l'invention ;
La figure 5 est une vue schématique en section
transversale d'un corps de bielle à section elliptique
fabriqué conformément au procédé selon l'invention ;
La figure 6 est une vue en perspective d'une
bielle finie en matériau composite fabriquée avec le
procédé selon l'invention ;
La figure 7 est une vue en coupe longitudinale
d'une bielle en matériau composite fabriquée conformément
au procédé selon l'invention ;
La figure 8 est une vue schématique d'un
assemblage d'éléments pultrudés avant mise en place et
fixation sur une couche tressée.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
L'idée à la base de l'invention est d'utiliser un
procédé de fabrication par tressage dans lequel on
intègre des tiges rectilignes prépolymérisées ou
polymérisées, formées de fibres renforçantes pultrudées,
en les plaçant longitudinalement entre les couches de
fibres tressées consécutives. On intègre ainsi à la
bielle des fibres longitudinales qui sont parfaitement
rectilignes et qui augmentent par là même
significativement la tenue mécanique de la bielle en
traction-compression et en flexion.
Les profils pultrudés sont des profilés de
matériau composite à section constante fabriqués de
manière industrielle, selon un processus continu.
Concrètement, les fibres sous forme de bobines sont
déroulées continuellement pour être imprégnées de résine
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avant de passer dans une filière chauffée polymérisant ou
prépolymérisant cette résine, de manière à former de
façon continue un profilé rigide dont on tronçonne des
portions de longueur souhaitée au fil de la production.
Ces profilés pultrudés se présentent notamment
sous forme de tiges pleines ou creuses constituées de
fibres renforçantes rectilignes parallèles en étant
agglomérées les unes aux autres par la résine polymérisée
ou prépolymérisée. La tenue mécanique des profilés
pultrudés est importante suivant l'axe principal du
profilé pour un coût de fabrication très compétitif.
L'invention consiste ainsi à intégrer des
éléments pultrudés entre le tressage de couches de fibres
renforçantes, avec une installation du type de celle
représentée en figure 1 afin de fabriquer une bielle.
Comme représenté schématiquement en figure 4, une
bielle fabriquée conformément à l'invention comporte
ainsi un mandrin 12, qui présente ici une section
circulaire, autour duquel est tressée une couche de
fibres renforçantes 13 par passage dans une installation
de tressage telle que celle de la figure 1.
Une fois que cette tresse 13 a été appliquée sur
toute la longueur du mandrin 12, c'est-à- dire une fois
que le mandrin a traversé le plan de l'anneau portant les
bobines de fibres renforçantes, l'installation est
arrêtée. La couche de fibres renforçantes est alors
sectionnée en aval du mandrin, et l'ensemble formé par le
mandrin 12 et la couche 13 qu'il porte sont retirés pour
être installés à nouveau en amont de l'anneau portant les
bobines, en vue du tressage d'une nouvelle couche de
fibres renforçantes.
A ce stade, les éléments pultrudés 14 sont mis en
place sur la couche 13, de manière à s'étendre
longitudinalement, c'est-à-dire parallèlement à l'axe AX
de la bielle, en étant régulièrement espacés les uns des
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autres autour de cet axe AX. Ces éléments pultrudés
peuvent être fixés en appliquant préalablement un produit
de type colle ou bien résine sur la couche 13.
Une autre solution en ce qui concerne la fixation
des éléments pultrudés consiste à entourer l'ensemble
avec un lien de fibres renforçantes, de façon à enserrer
ces éléments contre la face externe de la couche 13.
Une fois que les éléments pultrudés ont été mis
en place et qu'ils sont maintenus en position de façon
stable, on procède au tressage de la couche de fibres
renforçantes suivante, repérée par 16. Ce tressage est
assuré en déplaçant l'ensemble formé par le mandrin 12,
la couche de fibres tressées 13, et les éléments
pultrudés 14 à travers l'anneau de l'installation de
tressage, le long de l'axe de cet anneau.
Cette opération a pour effet de former une couche
de fibres tressées qui entoure alors les éléments
pultrudés 14 en les enserrant sans modifier
significativement leur position. Au cours de l'opération
de tressage de la couche 16, les éléments 14 restent
orientés longitudinalement et régulièrement espacés les
uns des autres selon la circonférence de la couche 13.
Dans ces conditions, et comme représenté
schématiquement en figure 4, les éléments 14 se trouvent
alors fermement enserrés entre les couches 14 et 16, et
ils sont orientés longitudinalement selon l'axe AX.
A ce stade, l'ensemble formé par le mandrin 12,
les couches 13 et 16 et les éléments pultrudés intercalés
entre ces couches, est installé dans un moule pour
injecter de la résine à travers les couches de fibres
renforçantes 14 et 16. Dans le cas où les profilés
pultrudés sont des tiges creuses, on bouche leurs
extrémités pour éviter que ces tiges ne se remplissent de
résine durant la phase d'injection.
Un cycle de chauffage est ensuite déclenché pour
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polymériser cette résine, afin de constituer une bielle
brute rigide dont les interfaces peuvent ensuite être
usinées par perçage pour former des chapes, avant de
monter dans ces perçages des bagues métalliques.
La figure 4 montre uniquement un ensemble
d'éléments pultrudés 14 interposé entre deux couches
tressées 13 et 16. Mais le procédé selon l'invention
permet d'interposer entre chaque paire de couches
tressées consécutives, un ensemble d'éléments pultrudés
pour d'une manière générale accroître la tenue mécanique
en traction-compression et en flexion de cette bielle, et
par là même sa tenue au flambage.
Les éléments pultrudés 14 n'ont pas
nécessairement à être répartis sur toute la circonférence
de la couche tressée qui les porte, mais ils peuvent
avantageusement être disposés uniquement dans certaines
zones de cette circonférence, sans y être nécessairement
régulièrement espacés les uns des autres.
Ainsi, dans l'exemple de la figure 5, le mandrin
12' présente une section qui est elliptique au lieu
d'être circulaire, pour constituer une bielle présentant
une tenue en flexion accrue autour du petit axe de
l'ellipse correspondant à sa section. La tenue en
traction-compression étant elle aussi accrue dans cette
bielle.
Dans ce cas, la première couche 13' est tressée
autour du mandrin 12', comme pour l'exemple de la figure
4. Mais des éléments pultrudés 14' sont alors placés
uniquement au niveau des extrémités opposées qui sont les
plus éloignées de cette ellipse, de manière à accroître
la tenue à une sollicitation en flexion autour du petit
axe de cette ellipse.
La couche suivante 16' est alors tressée, avant
de procéder à la mise en place d'autres éléments
pultrudés 17', qui sont également placés au niveau des
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extrémités de cette ellipse qui sont les plus éloignées
l'une de l'autre. Une nouvelle couche tressée 18' est
ensuite appliquée avant de procéder à l'injection de
résine dans l'ensemble et à sa polymérisation.
Les éléments pultrudés, s'étendent
essentiellement le long du corps de la bielle qui est
repéré par 21 dans la figure 6 où cette bielle est
représentée dans son état fini. Ce corps 21 correspond à
la région centrale de la bielle 19, qui est une paroi de
type réglée, ce corps 21 ayant par exemple une section
constante.
Cela étant, les éléments pultrudés peuvent
épouser des formes sensiblement courbes, car leur
rigidité qui est relativement importante leur permet
d'épouser ces formes tout en se courbant le moins
possible. Autrement dit, ces éléments pultrudés peuvent
être mis en place sur des formes courbes et leur rigidité
assure qu'ils adoptent des formes peu incurvées pour
offrir une tenue mécanique élevée.
Les éléments pultrudés repérés ici par 1411, sont
disposés radialement sous forme de trois couches, mais
ils ne couvrent a priori pas les extrémités 22 et 23 de
la bielle 21, c'est-à-dire les interfaces de cette
bielle, car ces extrémités présentent des sections
fortement évolutives non réglées ne se prêtant pas à
l'application d'éléments rectilignes.
Ainsi, comme visible dans la figure 7, les
éléments pultrudés 14 sont répartis radialement sur trois
couches interposée chacune entre deux couches tressées,
mais ces éléments sont intégrés à la bielle en s'étendant
uniquement entre les extrémités 22 et 23 de cette bielle
formant chapes.
Dans les exemples décrits à l'appui des figures 4
et 7, les éléments pultrudés peuvent être appliqués et
maintenus uns à uns sur la couche tressée qui les
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portent. Mais avantageusement, les éléments pultrudés 14,
14', 14'', 17' peuvent être préparés préalablement à leur
application pour constituer un assemblage de type claie
représenté schématiquement en figure 8.
Dans ce cas, les éléments pultrudés sont par
exemple disposés à plat parallèlement les uns aux autres
en étant espacés régulièrement les uns des autres, et ils
sont solidarisés les uns aux autres au moyen de plusieurs
paires de fibres renforçantes 24 régulièrement espacées
les unes des autres le long de ces éléments.
Chaque paire 24 comporte alors deux fibres
généralement orientées selon une direction
perpendiculaire à la direction générale des éléments
pultrudés, et ces deux fibres sont entrelacées autour de
chaque élément pultrudés, ce qui permet de solidariser
ces éléments les uns aux autres tout en les maintenant
parallèles et espacés deux à deux d'une distance
prédéterminée.
La mise en place des éléments pultrudés sur une
couche de fibres tressées consiste à saisir la claie
ainsi constituée, à l'appliquer à la face externe de la
couche considérée, et à la coller à celle-ci, ou bien à
entourer l'ensemble avec un ou plusieurs liens en fibres
renforçantes circonférentiels.
Dans l'exemple des figures, la bielle fabriquée
conformément au procédé selon l'invention comporte deux
interfaces, qui sont ici deux chapes. Mais l'invention
s'applique aussi bien à d'autres types de bielles comme
par exemple les balanciers d'atterrisseurs qui comportent
une interface à chacune de leurs extrémités et une
troisième interface située entre ces extrémités.
Par ailleurs, l'exemple des figures illustre la
mise en oeuvre de l'invention pour la fabrication d'une
bielle en matériau composite. Mais l'invention s'applique
à la fabrication d'autres types d'organes mécaniques,
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comme par exemple la fabrication des pales en carbone
d'une hélice d'aéronef, ou bien la fabrication d'un mat
en carbone destiné à équiper un voilier.
En effet, les pales d'une hélice aussi bien que
le mat d'un voilier sont sujets à des contraintes
mécaniques orientées principalement selon leur direction
principale, c'est-à-dire la direction des éléments
pultrudé qui y sont intégrés, de sorte que le procédé
selon l'invention offre alors une augmentation
significative de la tenue mécanique pour ce type d'organe
mécanique.
