TITRE : PROCEDE DE FABRICATION D’ UNE PI ECE EN MATERIAU COMPOSITE

Domaine technique de l'invention

L’invention concerne un procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite, notamment une pièce du domaine de l’aéronautique ou des énergies renouvelables, tel qu’un longeron pour aube soumise à différentes sollicitations mécaniques.

Arrière-plan technique

L’arrière-plan technique comprend les documents WO-A1 -2021 /123652, EP-A1 -3 553 280, CN-A1 -1 1 1 469 601 , US-A1 -2020/071863, US-A1 - 5, 100,713 et DE-A1 -1 0 2018 212442.

De telles aubes peuvent être utilisée dans les turbomachines, par exemple les aubes de soufflante, tournante (rotor), carénées ou non, à calage variable ou fixe ou dans les éoliennes.

En référence à la figure 1 , une telle aube 2 comporte une peau 4 formant la surface aérodynamique de l’aube 2 en contact avec l’air. La peau 4 forme une face intrados et une face extrados de l’aube reliées par un bord d’attaque 6 et un bord de fuite 8. L’aube s’étend selon un axe longitudinal A entre un pied 9 et une tête 1 0.

Ces aubes sont avantageusement fabriquées en matériaux composites, en particulier en fibres ou fils de carbone, pour réduire notamment leur poids.

L’aube 2 comporte en outre un longeron 1 2 pour rigidifier l’aube et la fixer à un moteur. Le longeron 12 s’étend sur une grande partie de l’envergure de l’aube entre les faces intrados et extrados de la peau 4. Un tel longeron est soumis à différentes sollicitations mécaniques, notamment des efforts de traction le long de l’axe longitudinal, des efforts de flexion selon un axe perpendiculaire à l’axe longitudinal, et des efforts de torsion autour de l’axe longitudinal.

Le longeron peut être réalisé en tout type de matériaux. Cependant, les matériaux composites possèdent également l’avantage de pouvoir orienter les fils ou fibres en fonction de l’effort appliqué sur la pièce, ici l’aube. De maniéré habituelle, il est connu de réaliser une telle piece a partir d’un empilement unidirectionnels préimprégnés de fils ou fibres de carbone longues que l’on place dans un moule en orientant différemment les plis successifs avant compactage et polymérisation. Alternativement, il est possible de réaliser une telle pièce à partir d’un empilement de tissus en deux dimensions permettant d’atteindre des épaisseurs plus grandes pour un même nombre de plis.

Néanmoins, plus l’épaisseur de la pièce à réaliser augmente et plus le nombre des couches de plis augmente également. Or l’interface entre deux couches n’est constituée que de résine et elle est à ce titre une zone de faiblesse mécanique.

Il est alors connu d’utiliser un procédé de tissage tridimensionnel (3D) lorsque l’épaisseur de la pièce à fabriquer est importante. Par l’entrelacement des couches les unes avec les autres, un tissu 3D permet ainsi de garantir l’intégrité mécanique d’une pièce à forte épaisseur.

Un tel procédé de tissage 3D d’une pièce en matériau composite comporte un tissage d’une première pièce dite « brut » puis la consolidation par injection et polymérisation d’une résine, par exemple par un procédé de moulage par transfert de résine, dit RTM pour « Resin Transfer Moulding » en anglais. La pièce obtenue est ensuite usinée pour obtenir la géométrie finale souhaitée. Le brut est formé par le tissage de torons ou fils de chaîne et des torons ou fils de trame. Les torons ou fils de chaîne sont orientés selon la direction longitudinale (dans le sens du tissage) et s’étendent sur plusieurs couches superposées selon la direction verticale. Les torons ou fils de trame sont orientés selon la direction transversale. La liaison dans l’épaisseur ou « interlockage » est effectuée en réalisant un cheminement des torons de chaîne particulier entre les torons de trame.

Cependant, de par le procédé de tissage, il n’est possible d’avoir des fils ou fibres que dans le plan de tissage. Ainsi, la pièce finale ne comprend des fibres que dans ces deux directions, c’est-à-dire des fibres orientées perpendiculairement les unes des autres.

Or, pour que la résistance d’une pièce structurale en matériau composite soit optimale, il faut au maximum que les fibres soient orientées dans le même sens que l’effort appliqué. Ainsi, la direction chaîne (dans le sens du tissage) est parfaitement adaptée à un effort de traction et/ou de flexion. Cependant, ces deux directions chaine comme trame ne sont pas optimales pour renforcer la pièce vis-à-vis d’un effort en torsion.

Une telle résistance nécessiterait des fibres faisant le tour de la pièce, ce qui n’est techniquement pas faisable en tissage 3D.

Une autre technique connue permettant de déposer des fibres avec un angle déterminé est le tressage. En général, un support appelé mandrin est placé au centre d’une tresseuse qui dépose, en avançant le long de mandrin différentes fibres ayant les orientations souhaitées afin de former une pièce résistante en torsion. Le support peut être creux, en mousse, ou bien dans un matériau permettant son retrait après consolidation de la tresse.

Bien qu’il soit possible de rajouter des fibres à 0° de l’axe longitudinal de la pièce dans la tresse, la résistance mécanique d’une telle pièce en traction et/ou flexion est bien plus faible qu’une pièce réalisée en tissé 3D. Ainsi, cette technologie peut être idéale pour une pièce sollicitée fortement en torsion, mais dès lors que les efforts sont multiples et que la traction/flexion n’est plus négligeable, elle cesse d’être pertinente.

En outre, une telle technique de tressage ne permet pas d’obtenir une pièce pleine. Ainsi, une partie du volume de la pièce est remplie par de la matière ne travaillant pas à la tenue de la pièce, ce qui s’avère problématique lorsque l’encombrement est critique pour une pièce.

L’objet de l’invention est de proposer une solution pour réaliser une pièce optimisée pour des efforts couplés en traction, en flexion et en torsion.

Résumé de l'invention

A cet effet, l’invention concerne un procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite, le procédé comprenant :

- un tissage tridimensionnel d’une structure ayant un axe longitudinal, et

- un tressage d’au moins une couche de fils de tressage selon au moins un angle prédéterminé par rapport à l’axe longitudinal autour de la structure tissée.

L’invention permet de combiner les avantages des deux procédés de mise en forme des fibres en matériau composite : les procédés de tissage tridimensionnel et de tressage. Le tissu 3D est idéal pour des pièces à forte épaisseur sollicitées en traction et en flexion. La tresse quant a elle permet d’obtenir des fibres circonférentielles qui renforcent la pièce vis-à-vis de la torsion. En couplant ces deux procédés, il est alors possible d’obtenir une pièce, par exemple un longeron, qui soit à la fois résistant en traction et en flexion mais également en torsion.

Ainsi, l’invention permet avantageusement d’obtenir une pièce comprenant des fibres ou fils pièce en matériau composite à la fois suivant une direction principale de la pièce, ici l’axe longitudinal de la pièce mais également autour de la pièce.

Avantageusement, l’épaisseur de tresse, ainsi que son orientation précise, sont définies en fonction du ratio entre l’effort de traction/flexion et l’effort de torsion à laquelle la pièce doit répondre.

De préférence, les fils ou fibres de tissage et/ou les fils ou fibres de tressage sont en carbone ou en verre.

Avantageusement, l’angle prédéterminé de tressage autour de la structure tissée suivant l’axe longitudinal est compris entre 15° et 75°, de préférence, entre 45° et 75°.

Avantageusement, le procédé de fabrication comporte une étape de moulage par transfert de résine de la structure tissée avant l’étape de tressage permettant de consolider la structure tissée.

Avantageusement, le procédé de fabrication comporte une étape de moulage par transfert de résine après l’étape de tressage pour former la pièce avec sa forme finale.

Selon un mode de réalisation, le tressage comprend le tressage d’au moins deux couches permettant d’obtenir l’épaisseur cible pour la pièce. Dans ce cas, l’angle prédéterminé des fils de tressage d’une couche de tressage peut être différent d’une couche de tressage à l’autre.

En outre, l’angle prédéterminé peut avantageusement varier le long de l’axe longitudinal au cours du tressage d’une couche permettant ainsi d’obtenir des performances mécaniques prédéterminées. De préférence, l’angle suivant l’axe longitudinal peut varier entre 15° et 75° et de manière encore préférée entre 45° et 75°. Par exemple, l’angle prédéterminé de tissage autour d’une portion peut être plus grand que l’angle prédéterminé de tissage autour d’une autre portion afin que les fibres soient au plus proche de la direction circonférentielle de la pièce. L’avantage de jouer sur l’orientation des fibres est que cela permet d’optimiser la raideur locale de la pièce en fonction de la charge que celle-ci doit supporter, permettant au final d’avoir une pièce plus performante en masse. Ainsi, les differentes orientations de la tresse permettent d’optimiser au mieux localement la performance mécanique. Selon un autre mode de réalisation compatible avec les précédents, la structure est formée de fils de chaîne et de premiers fils de trame et comporte une zone formée de fils de chaîne et de seconds fils de trames différents des premiers fils de trame. Avantageusement, les seconds fils de trame sont plus fins que les premiers fils de trame et le nombre de seconds fils de trame est plus petit que le nombre de premiers fils de trames permettant, en limitant ainsi l’embuvage des fils de chaine, de former une zone quasi-unidirectionnelle d’un point de vue mécanique augmentant ainsi la raideur dans la direction chaine de la pièce dans cette zone.

Le procédé selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, considérées comme indépendamment les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres :

- l’angle suivant l’axe longitudinal est compris entre 15° et 75°, et de préférence entre 45° et 75°,

- l’angle suivant l’axe longitudinal varie entre 15° et 75°, et de préférence entre 45° et 75°,

-- le tressage est réalisé sur et autour de la structure tissée,

-- l’angle est non nul,

-- les fils de tressage sont inclinés par rapport à l’axe longitudinal de la structure tissée.

L’invention concerne également une pièce en matériau composite fabriquée par le procédé selon l’invention. Une telle pièce comporte ainsi une structure en fibres tissées formant le cœur de la pièce et une peau en fibres tressées formant le profil externe de la pièce et s’étendant autour de la structure en fibres tissées.

Une telle pièce présente une très bonne résistance à la fois en traction, en flexion et également en torsion.

De préférence, la pièce est un longeron en matériau composite pour aube de turbomachine.

Brève description des figures

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la comprehension de laquelle on se reportera aux dessins annexes dans lesquels :

- la figure 1 , déjà décrite, est une vue schématique de côté d’une aube pour turbomachine concernée par l’invention ;

- la figure 2 est un organigramme d’un procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite selon l’invention ;

- la figure 3 est une vue schématique en perspective d’une structure obtenue par tissage 3D selon une étape du procédé de l’invention ; et

- la figure 4 est une vue schématique de face d’un longeron comportant des portions de tresses différentes.

Description détaillée de l'invention

En regard de la figure 2, un procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite comprend une étape S10 de tissage tridimensionnel d’une structure ayant un axe longitudinal noté A. Dans la suite de la description, la pièce à fabriquer est un longeron pour aube de turbomachine tel que celui représenté sur la figure 1 . Néanmoins l’invention s’applique à toute pièce devant être sollicitée à la fois en traction, en flexion et en torsion telle que des pièces pour dispositifs d’énergie renouvelable comme une éolienne ou pour dispositifs de propulsion aéronautique, par exemple des aubes de soufflante, tournantes (rotor), carénées (fan) ou non carénées (hélice) et à calage variable ou fixe.

Au cours de cette étape de tissage 3D, une structure 20 ou préforme en tissé 3D est réalisée à partir de fils ou fibres en carbone, en verre ou tout autre matériau composite.

Tel qu’illustré sur la figure 3, il s’agit essentiellement d’un tissage classique avec des torons, fils ou fibres de chaîne 21 dans le sens de l’envergure et des torons, fils ou fibres de trame 22 faisant le tour du profil dans un sens sensiblement perpendiculaire. Le tissage de la préforme est réalisé sur un métier à tisser industriel. Le sens du tissage est indiqué par la flèche F. La direction des fils de chaîne forme la direction longitudinale de la structure tissée.

Dans la structure en tissé 3D, tous les torons, par exemple en carbone sont tissés les uns dans les autres, par ondulation/entrelacement des fils de chaîne entre les fils de trames, pour former le tissu permettant une bonne tenue de l’ensemble.

Selon une variante, la structure peut comprendre une ou plusieurs zones quasi-unidirectionnelles d’un point de vue mécanique, c’est-à-dire dans lesquelles les fils de trame sont plus fins et moins nombreux que dans le reste de la structure de sorte que les fils de chaîne sont quasiment droits permettant ainsi d’augmenter localement la raideur dans la direction chaine de la structure.

Avantageusement, le procédé comporte en outre une étape S20 de consolidation de la préforme obtenue par injection et polymérisation d’une résine pour obtenir une tenue mécanique par un procédé connu de moulage par transfert de résine, dit RTM pour « Resin Transfert Molding ». A la fin de cette étape, la structure « brute » est ainsi obtenue.

Le procédé comporte en outre une étape S30 d’usinage de la structure « brute » afin d’obtenir la géométrie sur laquelle la tresse sera réalisée. Le procédé comporte en outre une étape S40 de tressage d’au moins une couche de fils de tressage selon au moins un angle prédéterminé par rapport à l’axe longitudinal autour de la structure tissée. Avantageusement, l’angle prédéterminé de tressage autour de la structure tissée suivant l’axe longitudinal est compris entre 15° et 75°, de préférence, entre 45° et 75°.

Le tressage est réalisé avec des fils ou fibres en carbone ou en verre sur une tresseuse industrielle.

La structure en tissé 3D consolidée et usinée est ainsi placée dans une tresseuse afin de rajouter de la tresse sur sa surface externe. Ainsi, la structure tissée sert de mandrin pour le tressage.

Plusieurs couches peuvent être nécessaires afin d’obtenir l’épaisseur cible de la pièce à réaliser. Les paramètres de tressage doivent être définis en fonction de l’épaisseur et de l’orientation des fibres visée, c’est-à-dire en fonction du ratio entre l’effort de traction/flexion et l’effort de torsion à laquelle la pièce devra répondre.

Avantageusement, l’angle prédéterminé des fils de tressage par rapport à l’axe longitudinal de la structure peut être différent d’une couche de tressage à l’autre.

En outre, l’angle prédéterminé peut avantageusement varier le long de l’axe longitudinal au cours du tressage d’une couche permettant ainsi d’obtenir des performances mécaniques predeterminees. Avantageusement, l’angle suivant l’axe longitudinal peut varier entre 15° et 75° et de préférence entre 45° et 75°.

Selon l’exemple d’un longeron fabriqué selon ce mode de réalisation et illustré sur la figure 4, l’angle prédéterminé o1 de tissage autour d’une portion inférieure 24 destinée à être proche du pied 9 de l’aube, est avantageusement plus grand que l’angle prédéterminé o2 de tissage autour d’une portion supérieure 26, destinée à être plus proche de la tête 10 de l’aube que la portion inférieure 24, permettant ainsi aux fibres de la partie inférieure d’être au plus proche de la direction circonférentielle de la pièce. En effet, la portion inférieure, destinée à être proche du pied d’aube, sera principalement sollicitée en compression circonférentielle. Celle-ci sera en partie compensée par l’orientation circonférentielle de la tresse dans cette portion.

Ainsi, l’orientation des fibres permet d’optimiser la raideur locale de la pièce en fonction de la charge que celle-ci doit supporter, permettant au final d’avoir une pièce plus performante en masse.

Alternativement, l’orientation des fils ou fibres de tresse peut rester bien entendu constante le long de l’axe longitudinal de la pièce afin de simplifier le procédé de fabrication ou lorsque la répartition des efforts est homogène sur la pièce.

Le procédé se poursuit de préférence par une étape S50 de consolidation de la tresse obtenue par injection et polymérisation d’une résine pour obtenir une tenue mécanique par le procédé de moulage par transfert de résine, dit RTM pour « Resin Transfert Molding ».

De préférence, le procédé comporte une autre étape S60 d’usinage de la pièce consolidée afin d’obtenir la géométrie finale de la pièce.

Le procédé selon le mode de réalisation décrit comporte deux étapes d’injection d’une résine : l’une pour consolider la structure tissée et l’autre pour consolider la tresse.

Selon une variante, le procédé comporte une unique étape d’injection de résine permettant de réduire le temps et les coûts de fabrication. Dans ce cas, le procédé comporte une étape de rigidification de la structure tissée afin de pouvoir l’usiner par exemple en ajoutant un tackifiant sur la structure.