Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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Procédé de fabrication de pièces composites, installation de fabrication
mettant en oeuvre un tel procédé, et pièces composites ainsi fabriquées.
La présente invention concerne un procédé de fabrication de
pièces composites. Elle concerne aussi une installation de fabrication mettant
en oeuvre un tel procédé, et des pièces composites ainsi fabriquées. Elle
trouve application dans le domaine de la construction aéronautique notamment
dans le domaine des nacelles de turboréacteurs et plus particulièrement dans
le domaine des structures de révolution ou circonférentielles de nacelles
telles
que des lèvres d'entrée d'air ou des cadres de structures d'inverseurs de
nacelles d'aéronefs.
Dans l'état de la technique, on sait fabriquer des pièces en
matériau composite. Une pièce comporte une préforme en une pièce tissée ou
tressée qui est mis en forme à la forme de la pièce désirée. Puis, on imprègne
la préforme avec une résine polymérisable pour obtenir la pièce finale.
Dans cet état de la technique, il n'est pas possible de fournir des
préformes à fibres continues pour draper des formes de révolution dont au
moins un point de la méridienne a une tangente radiale, et permettre leur
réalisation en matériaux composites à fibres continues. Une telle surface
n'étant pas développable, ne peut être couverte convenablement par un tissu
d'un seul tenant obtenu par un procédé conventionnel. Un tissu est ainsi qu'il
est connu obtenu en croisant un fil de chaîne et un fil de trame, chaîne et
trame
étant sensiblement orthogonales.
Avec un tissu obtenu par un procédé conventionnel, il est
quasiment impossible de déformer les tissus orthogonaux (de les décadrer) au
delà de 45 . Le décadrage consiste à changer les angles entre la chaîne et la
trame initialement de 900 à des angles compris entre 35 et 125 ), ce qui est
typiquement obtenu quand on étire un tissu selon au moins une direction non
parallèle à une direction des fibres dudit tissu. Il n'est alors pas possible
de
couvrir des formes complexes telles que des surfaces non développables de
pièces composites utilisées en aéronautique telles que une lèvre d'entrée
d'air,
un cadre avant de nacelle, un raidisseur à profil en C , une cloison
radiale
en C , etc... toutes formes de pièces axisymétriques ou assimilables à des
pièces axisymétriques. On est alors contraint de réaliser le drapage d'une
couche en plusieurs coupons qui sont disposés bord à bord ou avec des
recouvrements.
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Dans un autre état de la technique, un procédé de tressage
tubulaire permet de couvrir de telles formes. Mais d'une part, les
orientations
de fibres sont contraintes par la technologie, et d'autre part, il faut avoir
une
machine de tressage de dimension (nombre de fuseaux) compatibles avec le
périmètre de la section fermée.
Par exemple, on peut utiliser un noyau torique incluant dans ses
surfaces la forme de la pièce, et réaliser une tresse tubulaire directement
autour de ce noyau. L'axe de la tresse tubulaire étant sensiblement en tout
point de la pièce perpendiculaire à la section torique de la pièce. Cette
technique permet, si la section torique de la pièce est convexe, d'obtenir une
préforme épousant parfaitement la surface de la pièce. Cependant, ce procédé
est relativement lent de mise en oeuvre et la gestion des orientations de
fibres
est limitée. Pour des géométries toriques complexes, il est par ailleurs
difficile
de gérer convenablement la répartition des fibres, notamment les fibres
longitudinales à la forme.
On peut aussi réaliser une tresse tubulaire cylindrique, puis étirer et
dilater celle-ci en diamètre pour épouser la géométrie de la forme de pièce.
Sous réserve des limites de décadrages maximum, on peut ainsi couvrir des
formes non développables, et appliquer des rebroussements de forme de la
tresse tubulaire, tel que par exemple la méthode proposée par la demande
d'invention DE102005041940. Pour des formes de pièce de grandes
dimensions, on ne pourra trouver de tresseuse capable de tresser des tubes de
périmètre suffisant, une variante peut consister à fendre la tresse tubulaire
pour
ne couvrir qu'une partie de révolution de forme. Ces techniques présentent
cependant l'inconvénient de ne pas permettre l'installation de fibres
longitudinales au sein de la tresse car elles empêcheraient l'étirement de la
tresse et donc de ne pas pouvoir optimiser la masse de la pièce.
On constate ainsi les inconvénients suivants des différents états de
la technique. Pour la solution en tissu, il faut disposer de multiples
morceaux.
La solution est donc lourde, et elle entraîne des contraintes sur les
évolutions
d'orientations de fibres. Pour les solutions en tresses tubulaires, les
solutions
manquent de flexibilité des orientations et des distributions de fibres le
long de
la section de la pièce à réaliser, elles ne permettent pas d'optimiser les
orientations des fibres aux sollicitations mécaniques et donc la pièce n'est
pas
optimisée en masse.
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Il en résulte pour ces différentes solutions des tissages ou
tressages difficiles à mettre en oeuvre et dont la structure fibreuse n'est
souvent pas performante pour les sollicitations offrant ainsi des pièces
lourdes
et chères.
La solution proposée par la présente invention, consiste à obtenir la
préforme selon le principe du tissage contour, et avec une définition de
mandrin particulière et différente de la pièce finale à draper.
La présente invention vise donc à proposer une technique pour
tisser ou tresser un textile de façon à pouvoir couvrir en continue une
surface
de révolution, ou sensiblement de révolution, lequel textile soit ensuite
drapable, sans découpe sur ladite surface de révolution.
Par pièce de révolution ou pièce circonférentielle, on entend une
pièce axisymétrique s'étendant sur 3600 ou sur un secteur angulaire de moins
de 360 , dont la section, en coupant la pièce selon un plan parallèle à l'axe
de
révolution présente avec au moins une droite perpendiculaire à l'axe de
révolution au moins 2 points d'intersections. Une pièce torique répond par
exemple à cette définition. La section torique d'une pièce selon l'invention
peut
être ouverte ou fermée régulière ou irrégulière.
Dans la suite de la présente description, le terme point
d'inflexion signifie un point d'une génératrice d'une préforme ou d'un
mandrin
sur lequel le tissage ou tressage de la préforme est enroulé, présentant une
tangente traversant de part en part la génératrice ou deux demi-tangentes
placées de part et d'autre de la génératrice.
A cette fin la présente invention concerne un procédé de fabrication
de pièces en matériau composite avec des préformes obtenues par tissage
contour du genre consistant à enrouler au moins une pièce de drap en tissage
ou en tressage autour d'un mandrin sous un champ de tensions déterminées.
Le procédé de l'invention consiste :
- lors d'une première phase, à réaliser la conception de la pièce, le
calcul
de la géométrie et de l'architecture de drap de la préforme en tissu et le
calcul d'au moins un mandrin de formage d'un premier état de fabrication
d'au moins une préforme ;
- lors d'une deuxième phase, à réaliser la production du dit au moins un
mandrin calculé lors de la première phase et du drap de la dite au moins
une préforme à enrouler sur ce mandrin ;
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- lors d'une troisième phase, à extraire la préforme de son mandrin et lui
appliquer une extension radiale déterminée, et/ou, au delà d'un point
d'inflexion sur la préforme enroulée et/ou en extension radiale, une
transformation géométrique déterminée qui la fait passer d'un premier
état de fabrication à un second et dernier état de fabrication, et enfin, à
réaliser l'imprégnation de la préforme pour obtenir la pièce en matériau
composite désirée.
Dans le procédé de l'invention la première phase comporte aussi
au moins à partir d'une géométrie déterminée de la préforme à fabriquer :
- - une étape de définition d'une architecture du drap de la préforme à
fabriquer dont la section comporte au moins une ligne extrême séparant
au moins deux parties de la préforme ;
- - une étape de dépliage d'au moins une partie de la répartition du drap
de
la préforme éliminant tout rebroussement dans la largeur de la section de
forme axisymétrique ;
- - une étape pour en déduire au moins un mandrin de révolution
présentant un développé analogue à la répartition du drap après l'étape
de dépliage précédente.
Notamment à partir d'un maillage adéquat de l'état final de la
préforme, on applique successivement des transformations géométriques de
types symétries planes, et homothéties axiales et dilatations linéaires, pour
obtenir la définition géométrique du mandrin de formage du tissage contour.
Ainsi, on transforme la surface finale non tissable avec un moyen
de tissage conventionnel, en une surface tissable avec un métier conventionnel
sur des mandrins de formes particulière.
Le tissage peut ainsi être rapide car un métier à tisser a une bonne
productivité.
Le mandrin a une forme particulière en relation directe avec la
forme finale de la pièce à draper.
Le mandrin d'enroulement du tissage selon l'invention avec le point
d'inflexion, permet l'utilisation d'un métier conventionnel, et d'obtenir un
tissu
d'un côté à l'autre du point d'inflexion. Ce qui permet d'obtenir un tissu
continu
sur la pièce finale.
Par la forme non développable de tissage obtenu à l'enroulement
sur le mandrin calculé, le tissu obtenu a une forme spécifique, qui est
adaptée
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pour se draper sans étirement sur la forme de la pièce. Les orientations des
fibres sur la pièce finale sont donc maitrisées.
Le (ou les) point(s) de rebroussement de la surface finale de la
préforme sont éliminés, ceci étant obtenu par la (ou les) symétrie(s)
plane(s),
5 Le profil du mandrin ne contient pas de tangente normale à l'axe,
ce qui rendrait très difficile le tissage sur une telle forme, ceci étant
obtenu par
l'homothétie axiale associée à la dilatation linéaire de la surface.
La tangente radiale de la pièce finale avec rebroussement, ne
serait pas tissable selon les métiers à tisser classiques, le principe
consistant à
concevoir le mandrin en effectuant des transformations géométriques, permet
d'arriver à un mandrin compatible de tissage sur un métier à tisser 2D.
Les fibres du tissu se trouvent alors réparties en fibres
circonférentielles (typiquement les fils de chaînes) et fibres transversales
ou
radiales (typiquement les fils de trame), ces fibres circonférentielles et
radiales
étant perpendiculaires entre elles.
Ce concept est d'autant mieux obtenu que l'on aura choisi des
motifs de tissage (ou armure) qui soient symétriques en couverture des deux
faces du tissu, telles que des armures toile ou sergé. Notamment il sera
préférable d'utiliser ce motif dans la zone d'inflexion et au moins sur la
partie de
tissage allant de la zone d'inflexion jusqu'à l'extrémité de la zone
retournée.
Ceci ayant pour effet de limiter les inadéquations de longueurs.
Par un calcul particulier du mandrin, on peut faire un tissu qui aura
des fibres transversales selon des angles différents et prédéterminés. En
fonction des angles prédéterminés et du calcul du mandrin associé, un tel
tissu
sera alors décadré dans son ensemble, les fibres radiales prenant alors un
angle qui n'est plus perpendiculaire, ce qui permet d'avoir le long de la
surface,
des fibres circonférentielles (ou préférentiellement circonférentielles) et
des
fibres angulées par rapport à ces précédentes, soit à angles droit, soit selon
des angles divers qui pourront être alternées d'une couche à l'autre pour
offrir
un empilement sensiblement symétrique à miroir selon l'épaisseur.
La solution du procédé de l'invention utilise donc une architecture
textile associée à un type de forme, et le processus permettant de l'obtenir.
L'architecture textile est un textile tissé ou tressé, couvrant en un
seul coupon, une forme géométrique dont la surface enveloppe comprend, en
au moins un plan perpendiculaire à l'axe de révolution ou assimilable à un axe
de révolution, au moins deux génératrices circonférentielles, tel que une
forme
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de C , ou de tore. Associé à cette caractéristique de la surface, on trouve
donc également sur la surface au moins une génératrice dont tous les points
de la génératrice se trouvent, par rapport à leurs voisins à un extrema
d'abscisse le long de l'axe de révolution de construction de la surface, cette
génératrice constituant une ligne de rebroussement de profil de la forme.
La solution du procédé de l'invention permet de couvrir la surface
de telles pièces par tissage textile en un seul tenant, sans distorsion ou
étirement de la préforme. Les caractéristiques de densités de fibres et
d'orientations de fibres sont maitrisées et confèrent ainsi à la pièce une
tenue
structurale excellente et optimisée que ne permettent pas les autres procédés
de drapage de tissu 2D conventionnels ou de tresses 2D qui nécessitent des
étirements pour épouser la forme non développable de telles pièces.
La solution du procédé de l'invention s'appuie sur un processus de
modélisation donnant les liens entre la surface finale à draper, et la
définition
des mandrins d'enroulement de tissage, et le tissage qui sera obtenu sur pièce
en fonction du tissu enroulé sur mandrin lors du tissage.
Dans un autre mode de réalisation, le procédé de l'invention est tel
que la première phase comporte au moins certaines des étapes suivantes :
El. maillage de la surface de la pièce à draper ;
E2. identification de génératrices d'extrema de la surface maillée
obtenue ;
E3. génération d'une surface maillée retournée par retournement
des différentes sous surfaces de la surface maillée obtenue par symétries
planes afin d'éliminer les génératrices d'extrema identifiées ;
E4. génération d'une surface maillée retournée et réduite par
réduction axiale à partir de la surface maillée retournée obtenue (E3) au
moyen
d'une similitude comprenant une homothétie axiale de coefficient positif et
inférieur à 1 combinée avec une dilatation linéaire, selon les règles de
conservation de développées circonférentielles et de conservation de distances
curvilignes le long des profils de la surface, entre ces développées, et enfin
définition d'un mandrin d'enroulement de tissu présentant un développé
analogue à la surface maillée retournée et réduite (E4) ;
E5. définition des motifs de tissage et/ou tressage qui sera réalisé
et enroulé sur le dit mandrin et par une méthode des transformations inverses
aux transformations des étapes de retournement (E4) puis de réduction (E3)
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correspondance à la distribution qui sera obtenue sur la forme de pièce à
draper.
Selon une autre caractéristique, pour le calcul de la géométrie et de
l'architecture du drap, les fibres transversales ont un angle défini par
rapport
aux fibres circonférentielles, qui n'est pas nécessairement à 900 d'angle et
en
ce que on génère sur l'ensemble de la surface de la pièce, de proche en
proche, des quadrilatères conservant des côtés de même rapport entre sens
long (circonférentiel) et sens travers (radial).
Selon un autre objet, l'invention concerne aussi une installation de
fabrication de pièces composites mettant en oeuvre le procédé de l'invention.
Selon l'invention, l'installation comporte essentiellement :
- un dispositif de calcul d'une architecture de drap et d'une géométrie
d'une
préforme sur la base d'une forme donnée d'une pièce de révolution à
réaliser en un matériau composite et d'au moins un mandrin pour réaliser
une préforme en drap de ladite pièce de révolution ;
- un dispositif de réalisation d'un drap reproduisant l'architecture de
drap
déterminée ;
- un mécanisme pour enrouler au moins partiellement le drap d'architecture
déterminée autour du dit au moins un mandrin, puis pour réaliser une
extension radiale et/ou un repliement d'une partie déterminée du profil de
préforme ainsi produit ; et
- un dispositif pour appliquer une résine polymérisable sur la préforme
pour
en produire la pièce de révolution.
Selon un autre objet, l'invention concerne aussi des pièces de
révolution dont au moins une couche a été obtenue à l'aide du procédé de
l'invention au moyen de l'installation de fabrication de l'invention.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention
seront mieux compris à l'aide de la description et des dessins annexés parmi
lesquels :
- la figure 1 représente une partie d'une pièce réalisable à l'aide du
procédé de l'invention ;
- les figures 2a à 2c représentent une pluralité de sections de pièces
réalisables à l'aide du procédé de l'invention ;
- la figure 3a à 3h représentent d'autres exemples de formes de sections
réalisables à l'aide du procédé de l'invention ;
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- les figures 4a et 4b représentent deux architectures de tissu lors de
l'étape d'enroulement d'un tissu sur un mandrin dans une installation de
fabrication de préformes selon l'invention ;
- les figures 5a à 5e représentent des étapes ultérieures réalisées dans
une installation de fabrication de préformes selon l'invention ;
- les figures 6 et 7 représentent les étapes de modélisation d'une préforme
à obtenir et de transformation pour en déduire la forme du mandrin
associé dans un premier exemple de réalisation du procédé de
l'invention ;
- les figures 8a, 8b, 9 à 10 représentent les étapes de modélisation d'une
préforme à obtenir et de transformation pour en déduire la forme du
mandrin associé dans un deuxième exemple de réalisation du procédé de
l'invention ; et
- les figures 11 et 12 représentent les étapes de modélisation d'une
préforme à obtenir et de transformation pour en déduire la forme du
mandrin associé dans un troisième exemple de réalisation du procédé de
l'invention.
Aux figures, les mêmes numéros de référence se rapportent aux
mêmes éléments qui sont décrits ci-après. A la figure 1, on a représenté une
partie d'une pièce en matériau composite réalisée à l'aide du procédé de
l'invention. Une telle pièce 1 présente une symétrie de révolution autour de
l'axe A. Sa partie intérieure 3 comporte deux ailes latérales réunies par une
partie de raccordement 2 dont une ligne représente le point de rebroussement
de sa section radiale. Pour une coordonnée comptée le long de l'axe de
révolution A de la pièce 1 aucun point de la section de la pièce ne s'étend au-
delà de la ligne marquée sur la partie 2.
Aux figures 2a à 2c, 3a et 3b et 5b, on a représenté une demie vue
schématique de la section de chaque pièce de révolution autour de son axe de
révolution A, qui a été représenté à titre de mode de réalisation. A la figure
2a,
on a représenté une telle section d'une pièce creuse ou en forme de C 6 de
révolution autour de l'axe A et qui présente deux ailes raccordées qui
contactent une ligne de tangente radiale 4a en un point 5 de rebroussement de
la section.
A la figure 2b, la pièce creuse en C 7 présente elle une zone de
contact 8 plus importante avec la ligne de tangente radiale 4b.
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A la figure 2c, la pièce composite présente une section fermée 9.
Elle est réalisée à partir de deux pièces creuses en C 10 et 11. Chaque
pièce creuse 10 ou 11 présente au moins un point de rebroussement ou zone
de contact 5c ou 5d le long d'une ligne de plus grand éloignement
respectivement 4c et 4d, chaque ligne 4c ou 4d constituant un ligne de
tangente radiale pour la pièce creuse 10 ou 11 qui lui correspond. Lors de la
fabrication des pièces creuses 10 et 11 selon le procédé de l'invention, les
bords homologues 12 et 13 des préformes de ces pièces creuses 10 et 11 sont
jointoyées, en bord à bord ou comme ici en recouvrement.
A la figure 3a, on a représenté la section d'une pièce en matériau
composite 14, 15 de section courante en forme de S , selon une autre
géométrie. La pièce 14, 15 est composée de deux pièces creuses en C,
chacune analogue à la pièce creuse 6 de la figure 2a ou à la pièce creuse 7 de
la figure 2b. La section courante en forme de S de la pièce 14, 15 est donc
composée de deux zones de section en forme de C 14 et 15 de concavités
opposées et qui sont raccordées au point de jonction 16. Le point de jonction
16 peut être réalisé selon les deux modalités décrites pour les ponts de
jonction 12 ou 13 des pièces 10 et 11 du mode de réalisation de la figure 2c.
La
forme de pièce en S est finalement la concaténation de deux formes en C. La
pièce ayant une section en forme de S est réalisée à l'aide de préformes en
tissu d'un seul tenant qui sont réalisées avec le procédé de l'invention.
A la figure 3b, on a représenté la section ouverte d'une pièce 17-19
réalisée selon le procédé de l'invention en matériau composite. La pièce 17-19
est en forme de W dans sa section courante. Elle est la concaténation de
multiples sections en C , chacune analogue à la pièce creuse 6 de la figure
2a ou à la pièce creuse 7 de la figure 2b. Les diverses sections en C
n'interfèrent pas entre elles. Chaque pièce creuse 17, 18 ou 19 est produite
selon le procédé de l'invention de sorte qu'aucun point de sa section ne
dépasse la ligne de tangente radiale 4h, 4g ou 4f respectivement. Les pièces
creuses 17 et 18 se raccordent au point de jonction 16a, les pièces creuses 18
et 19 se raccordent au point de jonction 16b, les points de jonction 16a ou
16b
étant analogues à celui 16 décrit à la figure 3a.
Aux figures 3c, 3d, 3e, 3f, 3g, 3h on a représenté des sections
fermées de pièces toriques réalisées selon le procédé de l'invention. Ces
sections de pièces toriques comportent deux génératrices d'extrema. Le
procédé de l'invention exécute de la même façon que précédemment le
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drapage en un seul tenant de la totalité de la surface torique de la pièce. La
fermeture de la section est obtenue en bord à bord ou en recouvrement tel
qu'il
est présenté sur les figures.
A la figure 3c, qui est comme les figures 3a à 3h une demie vue
5 schématique, la pièce de révolution autour de l'axe A est fabriquée avec
deux
points limite 5c sur le plan normal 4c et 5d sur le plan normal 4d. Les deux
plans normaux 4c et 4d sont pris par rapport à l'axe de révolution A de la
pièce
ainsi fabriquée. Les bords du drap de la préforme sont placés en recouvrement
des bords 12a et 12b disposés à l'extérieur (vers le haut de la figure 3c) de
la
10 pièce de révolution qui est ensuite obtenue par imprégnation de la
préforme.
Dans les figures suivantes, les mêmes éléments que ceux de la
figure 3c portent les mêmes numéros de référence et ne seront pas plus
décrits. Cependant, les particularités des figures sont :
- à la figure 3d, le recouvrement des bords 12a, 12b est exécuté à
l'intérieur,
tourné vers l'axe de révolution A;
- à la figure 3e, les bords 12a et 12b sont disposés bord à bord à
l'intérieur
de la pièce, tourné vers l'axe de révolution A;
- à la figure 3f, le recouvrement des bords 12a et 12b est exécuté sur un
côté de la pièce de révolution, et se trouve sur le point limite 5d sur le
plan
normal 4d de la pièce ;
- A la figure 3g, les bords 12a et 12b sont disposés bord à bord sur le
point
5d limite ; et
- A la figure 3h, la section de révolution de la pièce affecte une forme
sensiblement quadrangulaire et les bords 12a et 12b sont placés bord à
bord sur un coin de la pièce vers l'extérieur relativement à l'axe de
révolution A.
Toutes ces pièces sont fabriquées à l'aide de préformes en drap
qui sont réalisées avec le procédé de l'invention.
Le procédé de fabrication de l'invention se déroule en trois phases
distinctes. Lors d'une première phase, on réalise en même temps la conception
de la pièce, le calcul de la géométrie de la préforme en drap et le calcul
d'un
mandrin de formage d'un premier état de fabrication de la préforme. Lors d'une
deuxième phase du procédé de l'invention, on configure l'installation de
fabrication de la préforme en associant le mandrin précédemment calculé au
dispositif de fabrication du drap. On réalise le drap que l'on enroule au fur
et à
mesure de sa fabrication sur ledit mandrin. Dans une troisième phase, on
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extrait la préforme de son mandrin pour lui appliquer, une transformation
géométrique déterminée qui la fait passer d'un premier état de fabrication à
un
second et dernier état de fabrication. Enfin, on maintient la préforme dans
cet
état géométrique sur l'outillage adapté et on réalise l'imprégnation de la
préforme par une résine et son durcissement pour obtenir la pièce en matériau
composite désirée.
Aux figures 4a et 4b, on a représenté une étape du procédé de
l'invention lors de la deuxième phase de sa réalisation consistant à réaliser
le
tissage ou tressage de la préforme enroulée sur ou autour du mandrin de
tissage ou de tressage.
A la figure 4a, le drap est un tissu qui présente, une fois enroulé
autour du mandrin 20, une architecture déterminée de fils de chaîne 24 et de
fils de trame 23, sensiblement orthogonaux et qui dépend de la préforme et/ou
de la pièce de révolution que l'on souhaite produire avec le procédé de
l'invention. Le drap de tissu qui s'enroule sur le mandrin 20 est produit dans
une machine de tissage non représentée au dessin et qui est disposée à droite
et comprend notamment, un dispositif de mise sous tension des chaînes 21 et
de répartition des tensions dans le cadre de drap de façon à assister son
enroulage autour du mandrin 20, et un mécanisme d'insertion de fil de trame
22 qui injecte avec des angles contrôlés le fil de trame sur le drap de tissu
21.
Ainsi qu'il a été précisé plus haut, l'architecture du drap contenant les fils
de
chaîne 21, le contrôle de l'insertion du fil de trame dans le mécanisme de
tissage de trame 22 et la géométrie du mandrin 20 ont été calculées lors de la
première phase du procédé de l'invention et qui sera décrite plus loin. On
note
un fil de chaîne particulier portant la référence 25 au dessin, et qui
correspond
à un point d'inflexion ou encore un point de rebroussement, sur le contour du
mandrin 20. Son rôle sera détaillé plus loin.
On note que, du fait que les dessins représentent seulement une
section de la préforme, le fil de chaîne 25, et tout autre élément qui prend
sa
place selon le type de drap utilisé ainsi qu'il sera décrit plus loin, est
représenté
et décrit comme un point, parce que le fil de chaîne ou tout élément similaire
est représenté par un point dans la section représentée au dessin. De même,
le point 25 est défini sur le drap de la préforme. Quand le drap est enroulé
autour du mandrin 20, le point 25 est confondu avec le point homologue du
mandrin 20 et on n'utilise pas d'autre référence pour simplifier le dessin et
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parce que la forme du mandrin est déterminée par la forme calculée de la
préforme que le mandrin sert à produire.
On note que l'architecture du drap est déterminée notamment par
le choix et la disposition relative des fils de chaîne et des fils de trame,
notamment en termes de densité surfacique et en nombre de couches.
L'enroulement du drap a lieu sur une partie ou la totalité de la
circonférence du mandrin 20, en une ou plusieurs couches.
Pour la réalisation d'un tel tissu, le contrôle de l'architecture du
drap et du choix de la forme ou profil du mandrin 20 utilise un ensemble de
règles déterminées afin de maintenir la qualité du tissage le long de
l'enroulement autour du mandrin. Parmi ces règles de contrôle, on note :
- approcher le point de tissage au plus près du mandrin,
- compléter éventuellement la forme de mandrin au-delà de la largeur utile
avec une forme réduite ou augmentée selon la zone courante, pour
maintenir alignés parallèles les fils de chaîne.
A la figure 4b, on a représenté la même deuxième phase du
procédé de fabrication de l'invention, dans l'état de la figure 4a, mais dans
lequel le tissage de la figure 4a est remplacé par un drap tressé ou tressage
dans lequel des fils de trame 27 et 28 sont entrelacés autour d'une direction
perpendiculaire au fil de chaîne 21 sous des angles déterminés par
l'architecture du tissu calculé lors de la première phase du procédé de
l'invention. Le même type de fil de chaîne 25 se trouve sur un point
d'inflexion
du contour du mandrin 20 et les mêmes dispositions pour réaliser la préforme
que pour celle de la figure 4a peuvent être prises.
Dans ce cas de tressage, les orientations des fils de trames 27 et
28, résultent des combinaisons de déplacements de ces fils le long de la
largeur du mandrin par rapport à la vitesse de rotation de celui-ci au cours
de
l'opération de tressage. Les parcours des fils sont donc dépendants de la
géométrie du mandrin, et on peut ne pas forcément obtenir une symétrie
parfaite et en tout point du mandrin des orientations positive et négative de
ces
fils de trame.
A l'issue du l'exécution du procédé à l'état des figures 4a ou 4b, on
obtient ainsi une préforme en tissu ou tresse dans un premier état de
fabrication.
A la figure 5a, on a représenté les opérations de la deuxième
phase du procédé de l'invention pour un type de pièce dont la section comporte
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une tangente radiale, au cours de laquelle on produit un second état de
fabrication de la préforme. Le fil de chaîne 25 se trouve dans un plan qui
partage le mandrin 20 en deux parties 20A et 20B de part et d'autre du plan de
changement d'inflexion du profil du mandrin. Ainsi, le point 25 est un point
d'inflexion des lignes décrites par les fils de trames ou par la trace d'une
coupe
transversale de la préforme sur le mandrin. L'inflexion est marquée par la
tangente T25, locale sur l'intersection du mandrin et du plan qui partage le
mandrin 20 en deux parties 20A et 20B. les directions de trames, quand elles
sont installées perpendiculairement aux fils de chaînes, suivent les
génératrices 29a, 25 et 29b.
A la figure 5b, on a représenté la préforme en drap tissé de la
figure 4a lorsqu'elle a été formée dans son second état à l'issue des
opérations
de la figure 5d pour une forme de révolution sur 360 . Les fils de chaîne 32
du
drap tissé sont sensiblement disposés selon des cercles centrés sur l'axe de
révolution (non représenté) de la préforme 30, tandis que les fils de trame 31
sont des courbes déterminées dans des sections radiales relativement à cet
axe de révolution. Il est ensuite possible de réaliser l'imprégnation de la
préforme par de la résine.
A la figure 5c, on a représenté la préforme en tressage de la figure
4b lorsqu'elle a été formée dans son second état à l'issue des opérations de
la
figure 5d. Les fils de chaîne sont sensiblement disposés selon des cercles
centrés sur l'axe de révolution (non représenté) de la préforme 33, tandis que
les fils de trame 34 et 35 sont des courbes déterminées et inclinées
relativement à des sections radiales relativement à cet axe de révolution.
A la figure 5d, on a représenté les transformations géométriques
appliquées successivement à la préforme pour l'amener de son premier état de
fabrication à son second et dernier état de fabrication. Ainsi, dans le mode
de
réalisation de la figure 5d, la préforme en drap dans un premier état de
fabrication, est d'abord déployée du mandrin suivant une extension radiale E,
portant le point 25 d'un rayon porteur rm ou rayon mandrin, au point 25' de
rayon final Rm nécessaire à la pièce obtenue à partir de la préforme dans son
état final ainsi qu'il sera expliqué plus loin. La préforme prend alors une
forme
de révolution dont les sections ou génératrices sont en forme de S selon
les contours 29a'-25'-29b'. Le point 25 du drap sur le mandrin 20 passe alors
du rayon rm au rayon Rm par l'extension E sur le point 25' dont la tangente
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T25' a tourné du fait de l'extension E au plus dans le plan normal à l'axe A
du
mandrin 20.
On applique alors une transformation géométrique R sur la
seconde partie 20b du premier état de fabrication de la préforme sur le
mandrin
20, qui a été agrandie par l'extension E selon le profil 25' - 29b'. La dite
seconde partie 20b du premier état de fabrication de la préforme est comprise
entre le point d'inflexion ou de rebroussement 25' de tangente T25' et
l'extrémité 29b' du drap étendu à droite du dessin. La seconde transformation
R comporte notamment une translation parallèle à l'axe de mandrin, de façon à
amener la seconde partie étendue 25' - 29b' dans la position 25' - 29b", de
sorte que la préforme se trouve dans un second et dernier état de fabrication
29a"-25'-29b". La transformation R peut être comprise comme un pliage de la
seconde partie 25' ¨ 29b' du drap de la préforme qui termine sa production ou
fabrication proprement dite. Cette transformation R, exécutée lors de la
troisième phase du procédé de fabrication de l'invention, est inverse de
l'étape
de dépliage qui a été préalablement déterminée lors de la première phase de
conception de la pièce. Ce dépliage est purement virtuelle en ce sens qu'il
porte sur une partie de la section de la préforme calculée et non pas sur la
préforme fabriquée. Ce dépliage virtuel permet de calculer la géométrie et
l'architecture du drap de la préforme et permet le calcul du mandrin 20 de
formage d'un premier état de fabrication de la préforme.
A la figure 5e, on a représenté les transformations qui s'appliquent
pour une forme dont la génératrice d'extrema ne constitue pas une tangente
radiale mais s'apparente à une arête angulaire. Pour une telle forme, sur le
mandrin 20, la position de chaîne 25 sera caractérisée par deux demi-
tangentes T25a et T25b respectivement vers 29a et 29b. Le drap issu du
mandrin 20 est déployé suivant une extension E limitée à la valeur de rayon
final correspondant à la chaîne 25', avec les demi-tangentes T25a' et T25b'
respectivement vers 29a' et 29b'. La transformation géométrique R transpose
symétriquement au plan de la génératrice 25', la partie 25'-29b' de drap en
25'-
29b". On note particulièrement que la seconde partie 25 ¨ 29b de la préforme
est, dans ce mode de réalisation, soumise à une extension E pour passer du
premier état de fabrication 25 ¨ 29b sur le mandrin 20 à l'état de fabrication
intermédiaire 25' ¨ 29b', de sorte que les longueurs curvilignes des éléments
de drap composés par les fils de trame et de chaîne tressé sont conservées.
Cette contrainte de fabrication et d'autres, alternatives ou non, seront plus
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complètement définies plus loin. Le pliage R est alors appliqué, comme dans le
mode de réalisation de la figure 5d, mais de sorte que la seconde partie 25' ¨
29b' de la préforme étendue est repliée en 25' ¨ 29h" en respectant une demie
tangente T25b" qui forme un angle déterminé, inférieur à 1800 avec la demie
5 tangente T25a', et à gauche du plan normal à l'axe A de la préforme et du
mandrin 20 et qui passe par les points ou éléments de drap 25 et 25'. La
préforme étendue et pliée 29a" ¨ 25' ¨ 29h" est alors dans son second et
dernier état de fabrication. La préforme ainsi fabriquée présente une arête
anguleuse en 25' qui constitue le point le plus extrême de la préforme
derrière
10 le plan normal à l'axe de révolution A de la préforme.
Dans ce second et dernier état de fabrication, la préforme
convenablement maintenue sur un outillage de formage pourra encore être
complétée :
- par superposition de couches de tissus ou tresses continues obtenues par
le
15 procédé,
- par apport de morceaux de renforts locaux,
- par insertion de matériau de remplissage non structural tel que mousse de
remplissage, ou
- par tout autre complément habituellement réalisé selon les procédés
composites.
L'ensemble du drap, formé, transformé, et éventuellement muni des
compléments précités, est installé dans un outillage adapté à un procédé de
consolidation choisi pour finaliser la préforme de l'invention. Il est ensuite
réalisée l'imprégnation de la préforme par de la résine et la solidification
de
celle-ci afin de rigidifier la structure. On obtient ainsi l'une des pièces
décrites
par exemple aux figures 2a-2c et 3a-3g.
L'installation de fabrication de pièces de révolution en matériau
composite de l'invention fournit les moyens de mise en oeuvre des trois phases
principales du procédé évoqué ci-dessus. L'installation comporte un dispositif
de calcul d'une architecture d'un tissu sur la base d'une forme donnée d'une
pièce de révolution à réaliser en un matériau composite et d'au moins un
mandrin pour réaliser une préforme en tissu de ladite pièce de révolution. Ce
dispositif comporte au moins un ordinateur de CAO équipé d'un logiciel
exécutant le procédé de l'invention, ou au moins un dispositif de description
géométrique et de tracé géométrique des formes. L'installation comporte
ensuite un dispositif de réalisation d'un tissu reproduisant l'architecture de
tissu
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déterminée. L'installation de tissage ou tressage comprenant le dispositif
d'appel de tissage et d'enroulement autour de mandrins fabriqués à partir des
dimensions calculées lors de la première phase du procédé. Bien entendu, un
tel dispositif de tissage ou de tressage peut être à la disposition d'un
fournisseur et son produit stocké et transporté pour la suite du procédé de
l'invention. L'installation comporte ensuite un mécanisme pour déployer le
tissage depuis le mandrin de confection, jusqu'à la forme final en appliquant
les
différentes transformations E et R décrites précédemment. Ce dispositif peut
aussi comporter des moyens de découpes, des moyens de sol idarisation de
couches entre elles ou avec des renforts locaux. L'installation comporte
ensuite
un dispositif pour appliquer une résine polymérisable sur la préforme pour en
produire la pièce de révolution.
Dans la suite des figures, on va décrire la première phase du
procédé de fabrication de pièces composites par préformes selon l'invention.
Dans cette première phase du procédé de fabrication de pièces, il
faut réaliser un calcul pour déterminer à la fois la pièce désirée, en déduire
ensuite l'architecture du tissu, tissé ou tressé, utilisable et le profil du
mandrin
pour produire la première forme de la préforme adaptée à la pièce désirée. Il
faut enfin déterminer la transformation géométrique qui permet de réaliser
l'expansion et le retournement ou pliage de la préforme de son premier état de
fabrication (quand elle est encore enroulée sur son mandrin 20) dans son
second état de fabrication, juste avant l'opération d'imprégnation par résine.
Aux figures 6 à 12, on a représenté les diverses techniques de
calcul mises en oeuvre, dans lesquelles, les surfaces de la pièce sont
découpées en mailles selon des règles qui vont être détaillées plus bas, et le
drap en tissu ou tressage suivra ces mêmes transformations au cours des
différentes étapes du procédé qui ont été décrites précédemment.
Ainsi à la figure 6, on montre la topologie d'une surface de la pièce,
de la préforme ou du mandrin recouverte par des courbes de profil désigné par
les points des mailles. Un profil comporte une pluralité de points (a, b, c,
...)
auquel, le cas échéant, on attribue un indice i allant de 1 à n pour décrire
les n
profils en courbes de la pièce finale, de la préforme et/ou du mandrin. Pour
définir les transformations géométriques permettant de passer de la pièce au
mandrin, ou à l'un ou l'autre des deux états de la préforme, on utilise des
notations de type (a, b, c, ...) ou (a', b', c', ...) ou enfin (a", b", c",
...).
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La figure 8 montre la continuité de maillage lors du retournement
correspondant la phase R La surface maillée selon des courbes de profils
(a,b,c,d,e,f,g,h)i peut être tout d'abord retournée en surface maillée selon
des
courbes de profils (a',b',c',d',e',f,g',h')i par symétrie axiale par rapport
au point f
présentant un extrema d'abscisse. Ainsi par exemple a=a', b=b', c=c', d=d',
e=e1, f=f, g=-g', h=-h'.
On trouve ici l'explication du point 25 mentionné aux figures 4a et
4b. En effet ce point 25 correspond au point f de chaque profil.
Sur la surface ainsi obtenue on applique, pour chaque génératrice
circonférentielle, un même facteur d'homothétie radiale de module strictement
positif et inférieur à 1. De préférence, le facteur d'homothétie radiale est
tel que
l'on atteigne pour l'ensemble des génératrices (a'i, b'i, ...) à des rayons
compatibles de mandrins d'enroulement de tissu, soit typiquement des
diamètres compris entre 50 mm et de préférence moins de 300 mm. Mais on
peut aussi faire en sorte d'avoir des diamètres compris entre 200 et 800 mm
par exemple en fonction des dimensions de la pièce finale. Il est donc courant
d'avoir des coefficients de l'ordre de 0,1 à 0,3.
Les génératrices réduites (a"i, b"i, c"i, ...) sont espacées de
distances telles que:
ab=a1b1=a"b",
bc=b1c1=b"c",
etc...
ces distances étant observées en abscisses curvilignes le long des profils i
considérés.
Sur cette surface de mandrin définie, on enroule le textile qui sort
convenablement contexturé par la machine de tissage précitée. Le mandrin
ayant une forme non cylindrique de forme "toroïde" les fibres sont tirées (ou
appelées) par le mandrin de façon différentielle tout au long de la largeur du
métier. La préforme est donc créée par un textile qui épouse une forme non
développable, à savoir, la forme du mandrin, ou la forme de la couche
précédente déjà enroulée sur le mandrin si on enroule plusieurs tours sur la
même forme.
Cette méthode, qui a été décrite pour une forme dite en C , est
également applicable pour une forme en S . Pour la forme en S , on
considère qu'il s'agit de deux courbes en C qui se touchent par une
extrémité opposée du C , et on applique pour chaque pièce en C la
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méthode décrite précédemment. On appliquera alors deux symétries axiales
distinctes sur chacune des deux extrémités du S final de part et d'autre
de
la zone centrale, et on appliquera une homothétie commune et unique de
coefficient positif et inférieur à 1 à l'ensemble des deux zones.
Pour une forme de pièce à section de type W ou plus, de même
que pour des sections en O ou en D , on multiplie le nombre de
symétries axiales autant qu'il y a de points de rebroussements le long du
profil.
Les méthodes appliquées par l'homme de l'art pour réaliser ce que
l'on appelle du tissage contour, (contour weaving, on capstan contour weaving
- ou captsan contour braiding s'agissant de tressage) pourront être
appliquées,
telles que :
- disposer de plusieurs mandrins successifs de forme adaptée,
- avoir des contre-rouleaux, etc..., pour tirer le tissage du métier, avant
d'enrouler le tissage sur un rouleau, en ménageant une faible tension sur
ce dernier, afin de conserver sur une grande longueur de tissage, la
même forme géométrique définie par le mandrin d'appel de tissu.
La solution proposée est particulièrement adaptée pour les formes
géométriques torique ou sensiblement torique. Particulièrement, on pourra
utiliser les formes décrites à l'aide des figures 1 à 3.
Le procédé de l'invention pour la définition du mandrin est
maintenant décrit dans un autre mode de réalisation, mais ayant même
objectif.
Soit une forme géométrique en forme de C autour d'un axe de
révolution, une couche de tissu couvrant une partie de la surface, pourra être
définie génériquement comme, en un point de la surface, avoir un axe de fibres
dites circonférentielles, et un axe de fibres dites transversales ou radiales.
La
transposition au tissage aura pour objectif d'associer fils de chaîne de
tissage,
aux fibres circonférentielles, et fils de trames, aux fibres transversales. La
transposition au cas du tressage sera expliquée plus loin.
Les fibres transversales ont un angle défini par rapport aux fibres
circonférentielles, qui n'est pas nécessairement à 900 d'angle.
A partir de ce Vé, ou cette 'rosette', de départ, on génère sur
l'ensemble de la surface de la pièce, de proche en proche, des quadrilatères
conservant des côtés de même rapport entre sens long (circonférentiel) et sens
travers (radial).
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Si la pièce est de section constante et parfaitement de révolution,
pour une couche, on décrit donc, dans chaque plan de révolution une longueur
de périmètre correspondant à la longueur de fibres circonférentielles
nécessaires à effectuer un tour complet.
Pour deux plans voisins de cette surface, la surface pièce peut être
donc assimilée à un cône.
Ce cône étant sur un grand diamètre porteur, afin de faciliter son
tissage sur un métier à tisser, il est prévu de réduire le diamètre à un ordre
de
grandeur de 30 à 300 mm de rayon. Est ainsi défini un facteur d'homothétie
entre le cône considéré de la pièce, et le cône de mandrin nécessaire.
De proche en proche pour l'ensemble de la section de pièce, on
procède de même.
On atteint ainsi la zone où la section de pièce tangente un plan
radial. La discrétisation de cette surface constitue donc un anneau de disque
qui selon le facteur d'homothétie de réduction choisi (< 1) se transforme donc
en tronçon de cône, selon les même règles (même rapport d'homothétie pour
les différents cercles, respect de la distance entre les points des deux
cercles).
Au delà de ce plan où les points ont une tangente radiale, on
poursuit le même principe, mais au lieu de revenir en progression inverse le
long de l'axe d'abscisse parallèle à l'axe de révolution, on transpose ces
points
selon une symétrie plane, de plan orthogonal à l'axe de révolution et
contenant
le point de tangente radiale.
A la lumière de ce qui a été décrit ci-dessus on comprend comment
obtenir un textile tissé en chaîne et trame dont les chaînes seront disposées
selon des circonférences sur le mandrin et donc sur la surface finale, des
génératrices (a"i, b"i, ...) sur mandrin correspondant à des génératrices (ai,
bi,
...) sur la forme finale. Les trames sont disposées longitudinalement au
mandrin et donc radialement à la surface finale, les profils de mandrin
(a"b"c"d"...k") correspondant aux profils (abcd...k) sur le second et dernier
état
de la préforme.
Pour le motif de tissage du tissu bidimensionnel en chaîne et trame
initial, on pourra utiliser toutes les fibres habituellement utilisées pour
réaliser
des formes textiles, et notamment pour réaliser des tissus pour des pièces en
matériaux composites des fibres de verre, des fibres de carbone, des fibres de
kevlar ou encore des fibres céramiques.
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De même, on pourra utiliser tous les motifs de tissages habituels
tels que le motif taffetas - ou toile, les motifs sergés, les motifs satins et
tous
motifs dérivés ou hybrides.
Cependant, notamment dans les zone proches des génératrices de
5 retournement de surface comme la zone autour du plan 25 contenant les
points
d'inflexion du mandrin (Figure 5a), on utilisera de préférence des motifs dont
l'embuvage des fibres soit symétrique dans l'épaisseur, afin d'éviter les
distorsions de tissage lors du retournement.
En effet, lors du retournement de surface, dans la zone d'inversion
10 de courbure, les fibres notamment de trames seront amenées à glisser les
unes par rapport aux autres et par rapport aux fils de chaînes du fait de
variations de longueur unitaire, et dans le cas d'un motif de tissage a un
embuvage symétrique en épaisseur, tel qu'une toile ou un sergé 2x2 ou 3x3,
les différentes fibres de trames, ont une longueur identique quand on
considère
15 le parcours avec l'embuvage. Au retournement, il n'y a donc pas de fibre
qui
exprime une surtension par rapport à une autre.
Cette disposition sera particulièrement recommandée plus le rayon
de courbure à proximité du point 25 du profil de section sera faible, et même
nul (cas de la forme à point anguleux selon la figure 5e).
20 Le concept développé ci -dessus pour un tissu chaîne-trame peut
être appliqué également à un tressage, soit biaxial selon des angles positifs
et
négatifs autour de l'axe, soit triaxial, donc la troisième direction
correspondant
aux chaînes de la texture tissée s'enroulera autour du mandrin. Le principe de
transposition des formes et des textures restant le même, la densité et les
orientations de la tresse sur le mandrin dépendant des dispositifs de tressage
en amont du mandrin et d'évolution de diamètre du mandrin.
Le principe qui a été exposé ci-dessus s'applique de manière très
correcte si on ne considère qu'une couche de tissu et même en utilisant pour
la
transposition de forme, non pas la surface de moulage, mais la surface
correspondant à la demi-épaisseur du tissu.
Pour atteindre ce niveau de perfection, il faut alors faire les
hypothèses quand à la masse surfacique du tissu qui va être créé par le
tissage. La masse surfacique locale dépend en effet du titre des fils utilisés
(titre = masse en gramme par kilomètre de fil), des pas de chaînes (qui
peuvent être variable le long de la largeur) et du pas de trame qui est une
fonction du diamètre local du mandrin, car théoriquement, les trames sont
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installées selon des génératrices du mandrin et donc les écartements entre
trames sont variables en fonction du diamètre local (tout au long du mandrin
il y
a un nombre identique de trame pour un même secteur angulaire de mandrin).
Cette masse surfacique variable étant établie, et en fonction de la
densité du matériau et de sa distribution volumique, on créera une surface
virtuelle correspondant à la mi-épaisseur du tissage prévu.
C'est cette surface sur laquelle est alors appliqué le processus de
retournement ou de symétrie(s) partielle(s) et d'homothétie. On obtient ainsi
la
surface neutre virtuelle du tissu sur le mandrin de tissage.
On déduit alors la surface du mandrin de tissage de la surface
virtuelle précédente en ôtant la demi-épaisseur de tissu en fonction de sa
masse surfacique locale.
Le procédé de fabrication de l'invention s'applique aussi pour des
pièces constituées de multiples couches de tissus, ce qui est très souvent
nécessaire. On observe que, pour des épaisseurs de pièces relativement
faibles par rapport aux rayons de pièces finales, par exemple pour une pièce
d'environ 10 mm d'épaisseur dont les génératrices sont sur des rayons
porteurs d'au moins 500 mm, les distorsions de longueurs de fibres résultant
de l'utilisation d'un même tissu défini sur un mandrin, pour réaliser les
différentes couches, sont faibles et absorbées par le compactage des couches
avant imprégnation de résine, ce qui permet de simplifier l'industrialisation
du
tissu. On peut donc appliquer une méthode simplifiée consistant à appliquer la
méthode à la surface correspondant à une seule couche et réaliser un même
tissu pour toutes les couches. On pourra préférablement utiliser la surface
correspondant à la demi-épaisseur de pièce selon le degré de distorsions que
l'on admet.
La méthode décrite ci-dessus, permet la définition de mandrin et le
tissage de tissu pour réaliser un tissu disposé selon des orientations
sensiblement orthogonales quand on regarde le tissu sur la surface pièce.
Cela a pour conséquence qu'un textile ainsi conçu n'offre que deux
directions principales de fibres.
Cette limitation est parfois pénalisante pour supporter les
sollicitations mécaniques auxquelles une telle pièce peut être soumise. Par
exemple une telle géométrie peut souvent est soumise à des sollicitations en
torsion, pour lesquelles il est préférable de pouvoir disposer d'au moins une
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partie de fibres disposées selon des angles en hélice alternées positivement
et
négativement autour de la révolution.
On peut recourir pour cela à une association avec une technique
de tressage qui a été également décrite ci-dessus, ou éventuellement n'avoir
recours qu'a une structure textile tressée, mais on peut souhaiter utiliser
une
texture tissée dont les coûts de production sont souvent moins élevés que le
tressage de même que les maîtrises d'angles.
Pour atteindre ces résultats, on applique la méthode illustrée par
les figures 11 et 12. Il faut donc considérer que sur la forme finale les
fibres de
trames du tissage auront un angle différent de 900 avec les fibres de chaînes
alors que lors du tissage on a naturellement créé un tel angle de 90 . La
transposition entre le mandrin et la forme finale se fait en changeant la
formulation de distance entre les différentes circonférences du mandrin par
rapport à la surface pièce.
Le principe à adopter revient à considérer un maillage en
quadrilatères de la surface de la pièce, dans lequel, les génératrices
circonférentielles (ai, bi, ci, ...) correspondent aux circonférences des
différentes chaines du tissage à obtenir, et pour lesquelles on applique
successivement les étapes de retournement de surface (symétrie) et de
réduction de diamètre; et les segments ab, bc, cd, ... sont orientés de façon
à
suivre les orientation souhaitées en chaque région de la surface, les segments
a"b", b"c" de longueurs égales aux segments ab, bc, ... définis sur la
surface,
correspondant sur le mandrins sont disposés selon un plan parallèle à l'axe du
mandrin.
Le tissage étant réalisé orthogonalement, lors du déploiement pour
le drapage de la pièce, on doit réaliser le décadrage du tissu en forme, afin
qu'il
couvre convenablement la surface, les fils de trames suivront alors les
profils
(a, b, c, ... h) selon les angles a 13 y . . . définis tel que présentés sur
la figure
11.
Un ensemble de drapage quasi symétrique angulairement pourra
être obtenu en décadrant alternativement dans un sens positif ou négatif les
couches successives de l'empilement. Si des angles différents sont souhaités
pour différentes couches, ils nécessiteront, pour une même surface pièce,
autant de mandrins de profils différents.
L'ensemble des méthodes décrites ci-dessus sont particulièrement
adaptées pour réaliser les préformes textiles pour la réalisation des pièces
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structurales en matériaux composites en fonction de leur géométrie et selon
des procédés d'imprégnation directe telles que RTM (Resin Transfer
Moulding), infusion sous vide LRI, infusion avec des films de résine (RFI
Resin
Film Impregnation), imprégnation par voie humide, et leurs différents dérivés.
On peut ainsi citer des pièces telles que des profilés en C de
révolution (Figures 2a, 2b), des S de révolution (Figure 3). Des pièces
ayant des sections fermées peuvent également être réalisées par cette
méthode, la couverture de la surface de la pièce étant obtenue par différentes
décompositions de la forme soit en deux parties en C (Figure 2c) soit en
une seule partie en ouvrant la forme (Figures 3c - 3g).
A la figure 6, on a représenté une surface de révolution d'axe 46
représentant une partie d'une pièce 40 à fabriquer. Une méridienne (a, b, c,
d,
e, ...) le long d'un fil de trame de préforme 43 a été représentée qui subit
une
transformation géométrique qui fait passer la surface 40 en une surface
transformée 44 qui représente le mandrin. Dans la surface transformée 44, la
méridienne (a, b, c, d,...) de la surface maillée 40 a été transformée en
méridienne (a", b", c", ...) sur la surface de mandrin 44 par une homothétie
de
rapport déterminé sur les angles interceptés par chacun des arcs de profil ab,
bc, cd, ... En référence à la figure 7 où on a tracé les sections méridiennes
45
de la pièce ou de la préforme 40 (Figure 6) et 47 du mandrin 44 (Figure 7), il
résulte de ce qui précède que la transformation géométrique 41 ou (48, figure
7) est exécutée en respectant une ou plusieurs contraintes selon lesquelles on
réalise une conservation des surfaces élémentaires des mailles de la pièce
et/ou de la préforme avec celles du mandrin et qui comporte :
- la conservation des périmètres des mailles élémentaires par
application d'une homothétie de coefficient unique à toutes les génératrices
de
rapport constant des rayons ra/ra', rb/rb', ... comptés entre le point courant
a
de la maille sur la méridienne et l'axe de révolution 46 ;
- écartement des génératrices telles que les distances curvilignes
(ab, bc, cd, ...) entre les points de maille le long du profil (a,b,c, ...)
restent
identiques sur le profil transformé (a', b', c', d', ...) et sur le profil
transformé
b", c", d", ...).
Les figures 8a, 8b, 9 à 10 représentent les étapes de modélisation
d'une préforme à obtenir et de transformation pour en déduire la forme du
mandrin associé dans un deuxième exemple de réalisation du procédé de
l'invention.
CA 02881118 2015-02-04
WO 2014/044963 PCT/FR2013/052133
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La forme de la pièce à obtenir ou de sa préforme en tissu 50 est
partiellement représentée à la figure 8a avec son maillage par les fils de
chaîne
et les méridiennes alignées ici sur les fils de trame. Les points de maillage
(a,
b, c, ...) sont répétés avec des indices courant i allant de 1 à n et les
points (fi)
sont disposés sur un fil de chaîne repésentant un extremum des points de la
pièce ou de la préforme 50 le long de son axe de révolution.
A la figure 8b, on a représenté le maillage déduit par la
transformation géométrique décrite plus haut et défini par les points de la
méridienne courante (a'i, b'i, c'i, ...). Les points (f'i) le long de la forme
51
correspondront à des points d'inflexion sur le premier état de la préforme sur
son mandrin (voir plan 25, sur le mandrin 20, figure 5a).
A la figure 9, on a représenté une section de préforme en ce qu'elle
se trouve dans un des deux états respectivement 55, 56 pour le premier état
déplié, et 55, 57 sur sa forme finale repliée, correspondant aux repères
respectivement 50 et 51 des figures 8a et 8b.
A la figure 10, alignée sur le plan 54 extrême des points de la
préforme 55, 57 dans son second état, on a représenté le profil de révolution
du mandrin avec les points de maillage (a"i, b"i, c"i, ...) répartis en deux
parties 59 et 58 de part et d'autre du plan 54 qui marque le point d'inflexion
ri
à la fois du mandrin et de la préforme dans son état 55, 56 déplié.
Les figures 11 et 12 représentent les étapes de modélisation d'une
préforme à obtenir et de transformation pour en déduire la forme du mandrin
associé dans un troisième exemple de réalisation du procédé de l'invention.
A la figure 11, on a représenté pour une pièce à produire avec sa
préforme 70, plusieurs fils de trame 71 appartenant à un cadrage sur des fils
de chaîne 72 avec une angulation déterminée lors de la fabrication du tissu et
déterminée lors de la conception de la préforme. En choisissant une direction
de référence A commune, on mesure pour chaque point du maillage l'angle fait
avec la direction de référence soit l'angle a pour le segment curviligne ab,
l'angle 13 pour le segment curviligne bc, etc.
Le maillage intial est établi selon les profils (ai, bi, ci, di, ...) ainsi
inclinés par rapport aux normales aux lignes circonférentielles.
La surface maillée avec les profils (a'i, b'i, c'i, ...) est établie
écartant ces profils de sorte que les distances a'ib'i =aibi.
Les angles 813a... doivent être inférieurs à la capacité de
décadrage du tissu que l'on envisage de produire (en général inférieur à 350),
il
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est souhaitable de ne pas trop changer d'angles le long du profil ce qui
rendrait
plus délicat la mise en place sur la forme.
A la figure 12 on a représenté en correspondance un profil 73
maillé par la série de points (ai, bi, ci, ...) et le profil de mandrin dérivé
74, 75
5 avec les
points (a'i, b'i, c'i, ...). On note le point d'inflexion fi qui correspondra
au plan de retournement R ou de pliage (Voir figure 5a).
L'invention comporte, en plus de ce qui est spécialement
revendiqué, les caractéristiques suivantes :
Le procédé comporte le choix de motifs de tissage symétriques en
10 couverture des deux faces du drap, telles que des armures toile ou
sergé.
Le procédé comporte aussi une étape de décadrage du tissu dans
au moins une partie du drap.
Dans le procédé, afin de faciliter un tissage sur un métier à tisser, il
est prévu de réduire le diamètre à un ordre de grandeur de 30 à 300 mm de
15 rayon
par une homothétie de facteur d'homothétie entre le cône considéré de
la pièce, et le cône de mandrin nécessaire.
Dans le procédé, pour le tissage du drap bidimensionnel en chaîne
et trame initial, on utilise les motifs de tissage tels que le motif taffetas -
ou
toile, les motifs sergés, les motifs satins et tous motifs dérivés ou
hybrides.
20 Dans le
procédé, pour le calcul de la géométrie et de l'architecture
du drap, notamment dans les zone proches des génératrices de retournement
de surface comme la zone autour du plan (25, figure 5a) contenant les points
d'inflexion du mandrin (20, figure 5a), on utilise des motifs dont l'embuvage
des
fibres est symétrique dans l'épaisseur, afin d'éviter les distorsions de
tissage
25 lors du retournement.
Dans le procédé, le tissage chaîne-trame est remplacé par un
tressage, soit biaxial selon des angles positifs et négatifs autour de l'axe,
soit
triaxial, dont la troisième direction correspondant aux chaînes de la texture
tissée s'enroulera autour du mandrin.
Dans le procédé, en fonction de la densité du matériau et de sa
distribution volumique dans le tissu par tissage ou par tressage, une surface
virtuelle correspondant à la mi-épaisseur du tissage prévu est générée sur
laquelle est alors appliqué le processus de retournement ou de symétrie(s)
partielle(s) et d'homothétie pour le tissu sur le mandrin de tissage.
Le procédé comporte une étape pour constituer de multiples
couches de drap lors de la fabrication de la préforme.
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Le procédé consiste à produire le drap utilisé pour la préforme en
une association d'une technique de tissage avec une technique de tressage.
Dans le procédé, lors du déploiement pour le drapage de la pièce,
on réalise le décadrage du drap en forme, afin qu'il couvre convenablement la
surface, les fils de trames suivant alors les profils (a, b, c, ... h) selon
des
angles définis.
Dans l'élaboration d'une pièce avec le procédé, drapée avec
plusieurs couches, on peut adopter pour chacune d'elles l'une des variantes du
procédé qui ont été décrites, et ainsi associer des draps tissés, des draps
tissés décadrés et des draps tressés, selon la séquence d'empilement des
orientations de fibres souhaitées.
