TITRE : OUTILLAGE DE PREFORMAGE D’UNE PREFORME FIBREUSE ET PROCEDE DE PREFORMAGE D’UNE PREFORME FIBREUSE

Domaine technique de l'invention

La présente invention concerne le domaine des pièces de turbomachine en matériau composite pour aéronef. Elle vise en particulier la conception et/ou fabrication de ces pièces en composite ainsi que l’outillage correspondant.

Arrière-plan technique

Les turbomachines s’équipent de plus en plus avec des pièces de forme complexes et au moins en partie en matériaux composites. Ces matériaux composites comportent un renfort fibreux noyé dans une matrice de manière, d’une part, à réduire les masses et améliorer les résistances thermomécaniques de ces pièces, et d’autre part, améliorer les performances de la turbomachine. Des exemples de matériaux composites sont décrits dans les documents US-A1 - 2014/175709, US-B2- 8 419 875 et US-A1 -2013/099427.

De manière générale, le renfort fibreux, qui est composé de fibres sèches, est déposé dans un moule rigide puis une matrice est injectée à basse pression dans le moule préalablement fermé. Le procédé le plus connu est la technologie RTM dont l’acronyme signifie « Resin Transfer Moulding » pour moulage par transfert de résine qui permet de produire des pièces d’une très bonne qualité et avec une bonne répétabilité. Cependant, ce procédé n’est pas adapté pour les formes très complexes que peuvent présenter par exemple un conduit de vanne de déchargement variable qui est destiné à évacuer une partie de l’air du flux primaire circulant dans le compresseur vers le flux secondaire afin de réguler le débit du compresseur.

Le conduit de vanne de déchargement variable se présente en une seule pièce en matériaux composites et comprend des tuyaux sortants, des coudes, des raccords, etc. La difficulté pour ce genre de pièce est la mise en place des plis fibreux ou structures fibreuses qui composent le renfort fibreux. Les plis fibreux ont une certaine rigidité due au tissage des torons ou fils (un toron est composé de plusieurs milliers de filaments). De manière générale, le renfort fibreux qui forme la préforme fibreuse du conduit de vanne de déchargement est préalablement mise en forme sur un support externe et est rigidifié pour faciliter la mise en place dans le moule d’injection et l’injection ultérieure de la matrice dans le moule d’injection. Dans cet exemple, le renfort fibreux est mise en forme dans le moule d’injection rigide.

Pour cela, un tackifiant ou de l’eau déionisée est appliqué(e) sur les différents plis afin d’une part, de lier temporairement les différents plis entre eux et de maintenir les plis dans le moule, et d’autre part de permettre l’injection de la matrice. L’eau permet une rupture de l’attraction électrique entre les chaînes chargées négativement, ainsi qu’une rupture des liaisons hydrogènes et les liaisons peptidiques lorsque les plis sont mouillés. Ces liaisons s’activent lors du séchage. En ce qui concerne le tackifiant, celui-ci est une sorte de colle à liaison faible.

L’utilisation de l’un ou l’autre de ces produits entraîne un temps de séchage assez long qui impacte le temps de fabrication de la pièce finale et une tenue mécanique assez faible pour maintenir les plis entre eux, ce qui implique des décohésions et des pertes de certains morceaux de plis. Le temps de drapage par un opérateur manuellement et la taille des pièces ne permettent pas de maintenir correctement les fibres dans leur ensemble. De même, si les fibres bougent lors de l’injection de la matrice ou son mal disposées, la pièce finale n’aura pas les propriétés mécaniques attendues. Pour le tackifiant en particulier, lors de l’injection de la matrice, cette dernière se lie au tackifiant alors que celle-ci est censée pousser le tackifiant lors de l’injection de la matrice, ce qui réduit les propriétés mécaniques de cette dernière. Une fois la pièce réalisée, le tackifiant s’il n’a pas été poussé par la résine notamment, entraîne des défauts dans la pièce telle que des porosités ou des délaminages.

A cette problématique de mise en place du renfort fibreux dans le moule, s’ajoute le démoulage de la préforme sur son support de mise en forme, notamment pour le conduit de vanne de déchargement ayant une forme complexe et qui ne présente pas d’angles de dépouille. La préforme préalablement mise en forme et rigidifiée est impossible à démouler si le support est rigide et d’une seule pièce. Le temps de fabrication de la préforme ainsi que les difficultés de démoulage entraînent une perte de temps non négligeable ainsi qu’un certain nombre de rebus dus aux décohésions des fibres sèches de certains morceaux de fibres. La présente invention a notamment pour objectif de simplifier et faciliter la mise en forme de préforme fibreuse pour une pièce en matériau composite de forme complexe de manière à optimiser l’injection de matrice pour sa densification. Résumé de l'invention

On parvient à cet objectif conformément à l’invention grâce à un outillage de préformage d’une préforme fibreuse comprenant :

une première membrane gonflable et destinée à recevoir la préforme fibreuse avec un renfort fibreux,

- une deuxième membrane destinée à se fixer via un système de fixation sur la première membrane et de manière à former une cavité interne étanche entre la première et la deuxième membrane, et

un dispositif de mise sous vide de la cavité interne entre la première membrane et la deuxième membrane.

Ainsi, cette solution permet d’atteindre l’objectif susmentionné. En particulier, l’outillage permet de faciliter la mise en place des plis destinés à former la préforme fibreuse sur la première membrane (dite mâle), à compacter la préforme entre la première membrane et la deuxième membrane (dite femelle) à l’aide du vide, à faciliter le démoulage de la préforme préformée en enlevant la seconde membrane femelle une fois le vide coupé et en extrayant la première membrane male une fois cette dernière dégonflée. En particulier, l’outillage permet un gain de temps puisque l’outillage permet aussi le séchage des plis formant la préforme fibreuse et son démoulage sans risque de décohésion et de déformation de la préforme fibreuse préformée avant l’injection de la matrice.

Dans la présente invention, nous entendons par le terme « préformage » la mise en forme et le maintien de la forme de la préforme avant qu’une matrice imprègne les fibres de celle-ci. La préforme préformée présente ou se rapproche alors de la forme que la pièce finale doit avoir.

L’outillage comprend également l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison :

la première membrane comprend une paroi qui est fermée de manière à former une chambre.

au moins la première membrane est réalisée dans un matériau élastique. le matériau élastique comprend un silicone.

la première membrane et la deuxième membrane sont fixées entre elles de manière amovible.

le système de fixation comprend des éléments d’étanchéité.

- le dispositif de mise sous vide comprend une pompe à vide ou un système à effet venturi ou un compresseur.

L’invention concerne également un procédé de préformage d’une préforme fibreuse comprenant les étapes suivantes :

- fourniture d’un outillage de préformage comprenant une première membrane gonflable et une deuxième membrane fixée sur la première membrane de manière à former une cavité interne étanche entre la première et la deuxième membrane ;

gonflage de la première membrane ;

- mise en place de plis fibreux destinés à former une préforme fibreuse sur la première membrane ;

application de la deuxième membrane sur la préforme fibreuse et sur la première membrane ;

mise sous vide de la cavité interne entre la première et la deuxième membranes ; et

démoulage d’une préformé fibreuse préformée et sèche.

Le procédé de préformage de la préforme fibreuse comprend également l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison :

- l’étape de mise en place des plis comprend une humidification de chaque pli formant la préforme fibreuse humidifiée.

les fibres de la préforme fibreuse sont non imprégnées par une résine avant l’humidification.

l’étape de mise sous vide comprend un séchage et un compactage de la préforme fibreuse humidifiée.

l’humidification est réalisée avec de l’eau déionisée et filtrée

l’étape de mise sou vide est réalisée pendant une durée prédéterminée l’étape de démoulage de la préforme préformée comprend un retrait de la deuxième membrane et un dégonflage de la première membrane. L’invention concerne en outre un procédé de fabrication d’une pièce de turbomachine comprenant les étapes suivantes :

réalisation d’un préforme fibreuse ;

préformage de la préforme fibreuse suivant un procédé présentant l’une quelconque des caractéristiques susmentionnées ;

mise en place de la préforme préformée dans un moule d’injection ;

injection d’une matrice dans la préforme préformée.

Brève description des figures

L’invention sera mieux comprise, et d’autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description explicative détaillée qui va suivre, de modes de réalisation de l’invention donnés à titre d’exemples purement illustratifs et non limitatifs, en référence aux dessins schématiques annexés dans lesquels :

[Fig. 1 ] La figure 1 est une vue de côté d’un exemple de conduit de vanne de déchargement variable d’une turbomachine selon l’invention ;

[Fig. 2] La figure 2 représente une vue de dessus d’un exemple d’un conduit de vanne de déchargement selon l’invention ; et,

[Fig. 3] La figure 3 illustre de manière schématique un exemple d’outillage de préformage d’une préforme fibreuse selon l’invention.

Description détaillée de l'invention

La figure 1 représente une pièce de turbomachine d’aéronef réalisée en une seule pièce en matériau composite.

Les figures 1 et 2 illustrent précisément un conduit de vanne de déchargement variable 1 destiné à équiper les turbomachines double flux. Ce conduit de vanne de déchargement variable 1 comprend une canalisation principale 2 permettant de relier une portion d’une veine primaire à une portion d’une veine secondaire d’une turbomachine double flux. Le conduit 1 comprend une vanne de déchargement variable installée (non représentée) dans l’ouverture 3 de la canalisation principale 2 s’ouvrant dans la veine secondaire. Le conduit 1 comprend également une canalisation secondaire 4 ayant une première extrémité 5 qui débouche dans une canalisation permettant de refroidir les parties chaudes de la turbine basse pression de la turbomachine et une deuxième extrémité 6 qui débouche dans la canalisation principale 2. Ce conduit 1 présente en effet une forme sensiblement en S et des nombreuses portions curvilignes comme cela est représenté sur les figures 1 et 2. Bien entendu, l’invention peut s’appliquer à toutes pièces de forme complexe en matériau composite et destinées à équiper une turbomachine. La pièce de turbomachine (ici le conduit 1 ) en matériau composite est réalisée avec un renfort fibreux (non représenté) et une matrice dans laquelle est noyé le renfort fibreux. Le renfort fibreux comprend plusieurs plis, nappes, couches ou structures de fibres lié(e)s entre eux(elles). Ces plis peuvent être tridimensionnels (tissé 3D), bidimensionnels (tissé 2D) de fils ou de torons qui sont composés chacun de plusieurs filaments ou unidirectionnels. Le renfort fibreux est destiné à former la préforme fibreuse qui présente la forme générale de la pièce à obtenir.

Les fils ou torons peuvent être de diverses natures. Dans l’exemple de réalisation, le matériau des fils peut comprendre un carbone, un verre, un polyamide, un kevlar, une céramique ou encore un mélange de ces matériaux.

La figure 3 illustre schématiquement un outillage de préformage 10 destiné à mettre en forme, voire de figer la forme de la préforme fibreuse de telle sorte que celle-ci se rapproche autant que possible de la forme de la pièce finale à réaliser et surtout de la maintenir lors de l’imprégnation par une matrice spécifique.

L’outillage de préformage 10 comprend une première membrane 1 1 (dite mâle) qui est destinée à recevoir la préforme fibreuse. La première membrane 1 1 est gonflable (et dégonflable) de manière d’une part, à faciliter la mise en place de la préforme fibreuse et d’autre part à faciliter le démoulage ultérieure de la préforme sans risque d’abimer celle-ci. La première membrane 1 1 est réalisée dans un matériau élastique de manière à permettre son gonflement et son dégonflement. Nous entendons ici par « gonflable » le fait d’augmenter le volume de la membrane au moyen d’un fluide. En évacuant le fluide, le membrane se dégonfle pour retrouver son volume initial.

Avantageusement, mais non limitativement, le matériau élastique comprend un élastomère tel qu’un silicone. Le silicone est mise en forme et vulcanisé dans les dimensions prédéterminées pour accueillir la préforme fibreuse. En particulier, dans le présent exemple, la première membrane 1 1 comprend une paroi qui présente une forme destinée à donner la forme correspondante à la préforme fibreuse qui sera appliquée dessus, lorsque la première membrane est gonflée. La paroi peut présenter ainsi n’importe quelle forme.

La paroi de la première membrane est fermée de manière à former une chambre 12 recevant ici de l’air, et de préférence, sous pression. La paroi de la première membrane 1 1 comprend un orifice d’entrée 13 pour alimenter en air la chambre 12.

L’outillage 10 comprend un système de gonflage 14 (représenté schématiquement) qui est relié d’une part à une source d’air comprimé et d’autre part à une buse 15 qui est destinée à être couplée à l’orifice d’entrée 13 de la première membrane 1 1 . La source d’air comprimé fournit l’air nécessaire pour gonfler la première membrane 1 1.

La paroi de la première membrane 1 1 comprend également un orifice de sortie 16. Ce dernier est équipé d’une portion de paroi mobile de manière à occuper une première position dans laquelle l’orifice de sortie est obturé et une deuxième position dans laquelle l’orifice de sortie est ouvert. Il va de soi que dans la première position, la chambre retient l’air lors de son gonflage (remplissage d’air) ou après gonflage, et que dans la deuxième position, la chambre se vide de son air par l’orifice de sortie 16 pour dégonfler la première membrane 1 1.

L’outillage 10 comprend également une deuxième membrane 18 (dite femelle) qui se fixe de manière étanche sur la première membrane 1 1 . La deuxième membrane 18 coopère avec la première membrane de manière à former une cavité interne 19 étanche entre la première membrane et la deuxième membrane. Pour cela, l’outillage 10 comprend un système de fixation 20 qui est installé au niveau des bordures périphériques 21 , 22 de la première et deuxième membranes 1 1 , 18.

Toutefois, les première et deuxième membranes 1 1 , 18 sont fixées entre elles via le système de fixation 20 de manière amovible et pour faciliter le retrait de la préforme préformée.

Dans le présent exemple, le système de fixation 20 est situé au moins en partie sur la première membrane 1 1 et/ou sur la deuxième membrane 18. Le système de fixation peut comprendre un zip étanche. Avantageusement, mais non limitativement, le système de fixation 20 comprend des éléments d’étanchéité comprenant un joint d’étanchéité en matériau déformable. Le joint d’étanchéité est rapporté au cours du procédé de fabrication et de la mise en place des membranes mâles et femelles. Ce matériau déformable peut être une bande de plastiline®. Les éléments d’étanchéité permettent de maintenir un espace entre les membranes et ainsi faciliter la formation de la cavité interne.

De manière alternative, le système de fixation 20 comprend des éléments clipsables entre la première et la deuxième membranes. Dans ce cas, l’une des première et deuxième membranes comprend une rainure par exemple et l’autre des première et deuxième membranes comprend une patte en forme de oméga par exemple. La patte et la rainure s’emboîtent de manière à former un joint d’étanchéité.

La deuxième membrane 18 est réalisée dans un matériau élastique également. Comme pour la première membrane, le matériau élastique peut être un silicone.

L’outillage 10 comprend un dispositif de mise sous vide 25 de la cavité interne entre la première membrane et la deuxième membrane. Le dispositif de mise sous vide comprend une pompe à vide ou un compresseur qui est relié à un orifice d’aspiration 26 ménagé ici dans la paroi de la deuxième membrane 18 au moyen d’une canalisation 27.

Alternativement, le dispositif de mise sous vide comprend un système à effet venturi lequel prévoit une différence de section sur la canalisation reliée à l’orifice d’aspiration pour créer une différence de pression. Le système à effet venturi est facile à entretenir et économique.

Nous allons maintenant décrire le procédé de préformage de la préforme fibreuse. Le procédé de préformage est réalisé au moyen de l’outillage de préformage tel que décrit ci-dessus. Le procédé comprend une étape de gonflage de la première membrane 1 1 . De l’air est soufflé dans la chambre 12 de la première membrane via le système de gonflage.

Le procédé comprend ensuite une mise en place de la préforme fibreuse avec un renfort fibreux sur la première membrane 1 1 qui est alors gonflée. Pour cela, plusieurs plis fibreux sont disposés un à un sur la paroi externe de la première de manière à former une épaisseur du renfort fibreux. Ces plis sont également humidifiés de manière à permettre un maintien des fibres entre elles le temps que tous les plis fibreux soient disposés sur la première membrane 1 1 . Nous comprenons que les fibres du renfort fibreux sont non-imprégnées. Le renfort fibreux n’est pas imprégné préalablement par une résine.

Avantageusement, mais non limitativement, de l’eau est utilisée pour humidifier les différents plis. L’eau est filtrée et déionisée de préférence.

La deuxième membrane 18 est ensuite appliquée au-dessus de la préforme fibreuse humide ou humidifiée obtenue et de la première membrane. La préforme fibreuse se retrouve ainsi entre la première membrane et la deuxième membrane, et en particulier dans la cavité interne 19 et étanche de l’outillage.

Une mise sous vide est réalisée dans la cavité interne 19. Cela est réalisé au moyen du dispositif de mise sous vide précité. La mise sous vide va compacter les fibres entre elles et sécher les fibres des plis fibreux formant la préforme fibreuse humidifiée. L’eau est évacuée grâce à l’abaissement de son point d’ébullition. Tous les plis sont assemblés fermement entre eux à l’issu de cette étape. La mise sous vide est réalisée pendant une durée prédéterminée qui est par exemple de l’ordre de quelques secondes. La mise sous vide est également réalisée à une pression comprise entre 0.005 et 0.100 bar.

La préforme est ensuite démoulée. A cet effet, la deuxième membrane 18 est retirée de la première membrane 1 1 , ainsi que la préforme elle-même, puis la première membrane 1 1 est dégonflée. Nous obtenons une préforme préformée, sèche et compacte.

A l’issu du démoulage de la préforme préformée, cette dernière peut être contrôlée visuellement et également en contrôle non destructif (par exemple via un scan ou un dispositif de tomographie). Dans le cas où un pli serait mal disposé, la préforme peut être humidifiée à nouveau afin de faciliter le déplacement du pli en question.

Une fois que la forme de la préforme est fixée (préformée), la préforme sèche est mise en place dans un moule d’injection en utilisant par exemple la technologie RTM (signifie « Resin Transfer Moulding »). Son déplacement est facilité grâce à se préformage. Il n’y a pas de risque de glissement des fibres entre elles.

Une matrice est injectée dans le moule de manière à réaliser une imprégnation et une densification des fibres de la préforme fibreuse et ainsi obtenir la pièce en matériau composite, ici le conduit. Le moule comprend une première empreinte destinée à recueillir la préforme préformée ici sèche. Un contre moule ayant une deuxième empreinte est destinée à former avec la première empreinte un espace d’injection de la matrice. La matrice est choisie en fonction de l’application souhaitée. La matrice peut être une résine thermodurcissable à base d’époxy ou une résine phénolique telle que les polybismaléimides (BMI). Préalablement à l’injection de matrice, le moule d’injection est fermé avec le contre moule. D’autres procédés tels que l’infusion, le RTM light ou le Polyflex sont, bien entendu, envisageables.