Titre de l'invention : PROCEDE D'OPTIMISATION DU TISSAGE TRIDIMENSIONNEL D'UNE STRUCTURE FIBREUSE

Domaine Technique

L'invention concerne un procédé d'optimisation du tissage tridimensionnel d'une structure fibreuse permettant de maîtriser le taux volumique de fibres dans une région de géométrie évolutive, ainsi qu'un procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite associé. L'invention trouve plus particulièrement une application dans le cas des aubes de soufflante.

Technique antérieure

Un domaine d’application de l’invention est la réalisation de pièces en matériau composite structural, c'est-à-dire des pièces de structure à renfort fibreux et densifié par une matrice. Les matériaux composites permettent de réaliser des pièces ayant une masse globale moins élevée que ces mêmes pièces lorsqu'elles sont réalisées en matériau métallique.

Le tissage tridimensionnel de structures fibreuses destinées à constituer le renfort fibreux d'une pièce en matériau composite, telle qu'une aube de moteur aéronautique par exemple, est réalisé dans un métier à tisser de type Jacquard, le tissage consistant à insérer des fils de trame, en créant un motif, entre des fils de chaîne. Les fils de chaîne sont organisés au niveau du harnais du métier à tisser en une pluralité de couches et de colonnes qui sont manipulées par le métier à tisser afin de permettre l'insertion des fils de trames suivant le ou les motifs de tissage programmés dans le métier à tisser. Les fils de trame sont insérés entre les fils de chaîne par colonnes. Le taux volumique de fibres dans une pièce en matériau composite est un paramètre important pour les propriétés mécaniques de la pièce, ce taux étant déterminé par l'armure de tissage et la maîtrise de l'espacement entre les colonnes de fils. Il est souhaitable de disposer de procédés permettant d'obtenir une structure fibreuse par tissage avec un taux volumique de fibres maîtrisé, même dans le cas d'une structure présentant une géométrie particulière, comme une transition rapide en épaisseur. Exposé de l'invention

La présente invention concerne un procédé d'optimisation du tissage d'une structure fibreuse, comprenant au moins :

- le tissage tridimensionnel de premiers et deuxièmes fils pour former une structure fibreuse en programmant pour ce tissage un métier à tisser avec des espacements entre colonnes consécutives de deuxièmes fils à des valeurs prédéterminées,

- le calcul d'un écart entre lesdits espacements et les valeurs prédéterminées associées dans au moins une région de la structure fibreuse tissée, et

- le tissage tridimensionnel d'une structure optimisée en programmant pour ce tissage le métier à tisser avec lesdits espacements dans ladite au moins une région à des valeurs prédéterminées ajustées correspondant aux valeurs prédéterminées corrigées d'au moins la moitié de l'écart calculé.

L'expression « espacements entre colonnes consécutives de deuxièmes fils » sera désignée dans la suite par « espacements inter-colonnes » dans un souci de concision.

Les espacements inter-colonnes peuvent être mesurés par tomodensitométrie (« CT- scan »).

L'espacement inter-colonnes peut être modifié afin de maintenir le taux volumique de fibres dans une région de géométrie particulière d'une structure fibreuse tissée, comme une région de transition en épaisseur. Les inventeurs ont néanmoins constaté que ces espacements dans la structure tissée pouvaient différer des espacements programmés initialement dans le métier à tisser du fait des équilibres régissant le tissu, conduisant à des propriétés mécaniques sous-optimales pour la pièce obtenue par la suite. Ainsi, l'invention propose de contrôler les espacements inter-colonnes dans une structure tissée afin de déterminer si un écart existe avec les valeurs prédéterminées et souhaitées pour ces espacements, et en cas d'existence d'un écart significatif de le corriger en programmant différemment le métier à tisser de sorte à se rapprocher, voire à atteindre, les valeurs prédéterminées dans la structure tissée. Ainsi lorsque la structure tissée présente des espacements inter-colonnes supérieurs aux valeurs prédéterminées, le métier à tisser peut être programmé avec des valeurs prédéterminées ajustées qui sont inférieures aux valeurs prédéterminées et corrigées de la quantité indiquée plus haut. A l'inverse, lorsque la structure tissée présente des espacements inter ^¬ colonnes inférieurs aux valeurs prédéterminées, le métier à tisser peut être programmé avec des valeurs prédéterminées ajustées qui sont supérieures aux valeurs prédéterminées et corrigées de la quantité indiquée plus haut.

Dans un exemple de réalisation, le procédé comprend en outre :

- le calcul d'un deuxième écart entre lesdits espacements et les valeurs prédéterminées associées dans ladite au moins une région de la structure optimisée tissée, et

- le tissage tridimensionnel d'une deuxième structure optimisée en programmant pour ce tissage le métier à tisser avec lesdits espacements dans ladite au moins une région à des deuxièmes valeurs prédéterminées ajustées correspondant aux valeurs prédéterminées ajustées corrigées d'au moins la moitié du deuxième écart calculé. La réalisation d'une itération supplémentaire permet, si cela est souhaité, de maîtriser de manière plus fine l'espacement inter-colonnes dans la structure tissée. Bien entendu, on ne sort pas du cadre de l'invention si davantage d'itérations sont réalisées sur le même principe.

Dans un exemple de réalisation, ladite au moins une région présente une épaisseur évolutive.

L'invention trouve un intérêt particulier pour maîtriser l'espacement inter-colonnes dans ce type de régions.

Dans un exemple de réalisation, la structure fibreuse, la structure optimisée ainsi que l'éventuelle deuxième structure optimisée sont des renforts d'aube de turbomachine. En particulier, la structure fibreuse, la structure optimisée ainsi que l'éventuelle deuxième structure optimisée sont des renforts d'aube de soufflante. L'invention trouve un intérêt particulier pour maîtriser l'espacement inter-colonnes dans ce type de renforts.

Dans un exemple de réalisation, la structure fibreuse, la structure optimisée ainsi que l'éventuelle deuxième structure optimisée comprennent des fibres de carbone. L'invention trouve un intérêt particulier pour maîtriser l'espacement inter-colonnes dans des structures comprenant de telles fibres. L'invention vise également un procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite, comprenant au moins :

- la mise en œuvre d'un procédé d'optimisation tel que décrit plus haut,

- la formation d'une préforme par mise en forme d'une structure optimisée tissée obtenue, et

- la formation d'une matrice dans une porosité de la préforme afin d'obtenir la pièce. La préforme peut être obtenue par mise en forme de la structure optimisée tissée obtenue après programmation du métier à tisser avec les valeurs prédéterminées ajustées, ou de la deuxième structure optimisée obtenue après programmation du métier à tisser avec les deuxièmes valeurs prédéterminées ajustées, ou encore par mise en forme d'une n-ième structure optimisée si davantage d'itérations ont été réalisées.

Brève description des dessins

[Fig. 1] La figure 1 est une vue schématique en perspective d'un exemple de métier à tisser pouvant être utilisé dans le cadre de l’invention.

[Fig. 2] La figure 2 représente, de manière schématique et à plat, une structure fibreuse tissée destinée à former le renfort d'une aube de turbomachine.

[Fig. 3] La figure 3 représente, de manière schématique, une région de la structure fibreuse de la figure 2 ayant une épaisseur évolutive.

[Fig. 4] La figure 4 représente, de manière schématique, un exemple de pièce en matériau composite pouvant être obtenue par mise en œuvre de l'invention.

[Fig. 5] La figure 5 représente, de manière schématique, l'évolution des espacements inter-colonnes dans la région d'épaisseur évolutive illustrée à la figure 3.

[Fig. 6] La figure 6 représente, de manière schématique, l'écart entre les espacements inter-colonnes et les valeurs prédéterminées associées, ainsi que la programmation ajustée du tissage tenant compte de cet écart selon un exemple de procédé d'optimisation selon l'invention. Description des modes de réalisation

L'invention s'applique d'une manière générale à toutes structures fibreuses formées par tissage tridimensionnel qui sont aptes à constituer des renforts fibreux, ou préformes, pour la fabrication de pièces en matériau composite, en particulier des aubes de moteurs aéronautiques, les pièces étant obtenues par densification des préformes fibreuses par une matrice. La matrice est typiquement une résine, dans le cas de matériaux composites utilisés à température relativement peu élevée, typiquement jusqu'à 300°C pour des aubes de soufflante par exemple, ou un matériau céramique dans le cas de composites thermostructuraux, par exemple des aubes de turbine.

Par « tissage tridimensionnel » ou « tissage 3D », on entend ici un mode de tissage par lequel certains au moins des fils de chaîne lient des fils de trame sur plusieurs couches de trame. Un tissage 3D permet d’obtenir une liaison entre les couches, donc d’avoir une bonne tenue mécanique de la structure fibreuse et de la pièce en matériau composite obtenue, en une seule opération textile.

Les techniques de tissage de structures fibreuses formant renfort de pièces de turbomachines sont connues en soi. A ce titre, la figure 1 illustre un métier à tisser 100 équipé d'une mécanique Jacquard 101 supportée par une superstructure non représentée sur la figure 1. Le métier 100 comprend également un harnais 110 constitué d'une planche d'empoutage 111 et des fils de commande ou lisses 113, chaque lisse 113 étant reliée à une extrémité à un crochet de commande 1010 de la mécanique Jacquard 101 et à l'autre extrémité à un des ressorts de rappel 102 fixés au bâti 103 du métier à tisser 100. Chaque lisse 113 comprend un œillet 114 traversé par un fil de chaîne 201. Les lisses 113 et leur œillet 114 associé s'étendent dans une zone dans laquelle les lisses 113 et les œillets 114 sont animés d'un mouvement d'oscillation sensiblement vertical représenté par la double flèche F. Les lisses 113 sont soumises à des efforts de traction respectivement exercés par les crochets de commande 1010 et par les ressorts de rappel 102. Les lisses 113 permettent de soulever certains fils de chaîne 201 suivant un programme de tissage défini. En soulevant certains fils de chaîne 201, les lisses 113 créent ainsi une foule permettant l'introduction de fils de trame 202 pour le tissage 3D des structures fibreuses. Les fils de chaîne 201 sont organisés en une pluralité de couches de fils de chaîne Cl à Cn.

Les fils de chaîne 201 sont appelés depuis des bobines disposées sur un cantre (non représenté sur la figure 1) en amont de la mécanique Jacquard 101 du métier à tisser 100. A cet effet, comme illustré sur la figure 1, un système d'appel de fils de chaîne 300 est associé au métier à tisser 100 en aval de celui-ci. Le cadre 120 délimite la sortie du métier à tisser 100, c'est-à-dire la zone à partir de laquelle les fils de chaîne 201 ne sont plus tissés avec les fils de trame 202. Le système d'appel de fils de chaîne 300 comprend un dispositif de bridage 340 destiné à maintenir par serrage un ensemble de couches Cl à Cn de fils de chaînes en aval du métier à tisser 100. Pendant le tissage d'une structure fibreuse 400, les fils de chaîne 201 sont entraînés dans la direction d'avance DA par le dispositif de bridage. Plus précisément, dans l'exemple décrit ici, le dispositif de bridage 340 est monté sur des rails 351 et 352 d'un bâti 350 du système d'appel de fils de chaîne 300 de manière à permettre le déplacement du dispositif de bridage. Le déplacement du dispositif de bridage 300 est réalisé par un moteur, par exemple un moteur pas-à-pas (non représenté sur la figure 1). A chaque fois qu'une colonne de fils de trame 202 est entièrement tissée avec les couches de fils de chaîne Cl à Cn, le dispositif de bridage 340 est entraîné dans la direction DA sur une distance permettant l'insertion et le tissage dans le métier 100 de la colonne de trame suivante.

La figure 2 illustre, à plat, une structure fibreuse 400 tissée en une seule pièce par tissage tridimensionnel de premiers fils et de deuxièmes fils. Les premiers fils peuvent être des fils de chaîne et les deuxièmes fils des fils de trame, ou l'inverse.

On notera, d'une manière générale, que les rôles des fils de chaîne et de trame sont interchangeables. Cette structure fibreuse 400 forme un renfort d'une aube de soufflante. La structure fibreuse 400 représentée sur la figure 2 comprend une partie de pied 410 prolongée par une partie de profil aérodynamique 420 jusqu'à une partie de sommet 430. La structure fibreuse 400 s'étend le long d'une direction principale Z, destinée à définir une direction radiale lorsque l'aube est montée dans la turbomachine. La structure fibreuse 400 peut être tissée suivant un tissage 3D à armure « interlock », par exemple. Par tissage « interlock », on entend une armure de tissage dans laquelle chaque couche de fils de trame lie plusieurs couches de fils de chaîne avec tous les fils d'une même colonne de trame ayant le même mouvement dans le plan de l'armure. L'homme du métier reconnaîtra que d'autres armures de tissage sont possibles. La structure fibreuse 400 peut comprendre des fibres de carbone ou de céramique comme en carbure de silicium (SiC), selon l'application envisagée.

Comme illustré à la figure 3, la structure fibreuse 400 présente, le long de la direction principale Z, une région 402 d'épaisseur e évolutive, destinée également à définir une région d'épaisseur évolutive dans la pièce à obtenir.

La figure 4 illustre un exemple d'aube de soufflante 500 qui peut être obtenue dans le cadre de l'invention. De manière connue en soi, l'aube 500 est obtenue à partir de la structure fibreuse 400 par mise en forme dans un moule afin d'obtenir une préforme fibreuse et l'on forme ensuite une matrice dans une porosité de la préforme fibreuse. Le matériau de la matrice est choisi en fonction de l'application envisagée. On peut ainsi former une matrice organique, par introduction de résine dans la porosité de la préforme fibreuse et réticulation de cette résine, par exemple dans le cas d'une aube de soufflante 500. D'autres exemples sont possibles, comme la formation d'une matrice céramique dans le cas d'une aube de turbine par exemple. Les méthodes de formation et matériaux utilisés pour la matrice sont connus en soi et ne nécessitent pas d'être davantage décrits ici.

Le taux volumique de fibres dans la région d'épaisseur évolutive 402 peut être maintenu en modifiant l'espacement inter-colonnes EN dans cette région 402, correspondant ici à l'espacement entre colonnes consécutives CLN et CLN+1 de fils de trame 202. La figure 5 illustre l'évolution de l'espacement EN inter-colonnes souhaité dans la région 402. Cet espacement EN varie lorsque l'on se déplace le long de la direction principale Z, ici en diminuant plus l'épaisseur e diminue, de sorte à maintenir le taux volumique de fibres dans la région 402. Bien entendu, le principe de l'invention reste applicable au cas inverse d'un espacement EN qui augmenterait le long de la direction principale Z. A chaque espacement EN entre deux colonnes consécutives CLN et CLN+1 est associé une valeur prédéterminée afin d'obtenir les propriétés mécaniques souhaitées dans la pièce, ces valeurs prédéterminées étant variables le long de la région 402. Comme indiqué plus haut, les inventeurs ont constaté que les espacements EN souhaités pouvaient ne pas être directement obtenus dans la structure tissée si le métier à tisser était programmé avec exactement les valeurs prédéterminées souhaitées pour ces espacements. La figure 6 illustre l'écart ECN qui a pu être observé entre des espacements inter-colonnes EN et les valeurs prédéterminées VPN associées à chacun de ces espacements EN, à différentes positions le long de la direction principale Z dans la région 402. A la figure 6, la courbe « A » représente l'évolution souhaitée pour espacements inter-colonnes, correspondant aux valeurs prédéterminées VPN programmées initialement dans le métier à tisser, et la courbe « B » l'évolution des espacements EN qui a été réellement constatée dans la structure fibreuse 400 après tissage en ayant programmé les valeurs prédéterminées VPN dans le métier à tisser. On constate que si l'on retrouve bien la forme de la courbe souhaitée avec une évolution, dans la région 402, entre un premier espacement inter-colonnes El et un deuxième espacement inter-colonnes E2 qui est inférieur au premier espacement El, un écart ECN est néanmoins présent entre les espacements inter-colonnes EN et les valeurs prédéterminées VPN. Dans l'exemple considéré à la figure 6, les espacements inter-colonnes EN réellement constatés étaient plus importants que les valeurs prédéterminées VPN. Afin de compenser cet écart, il est proposé de programmer le métier à tisser avec des valeurs prédéterminées ajustées VAN tenant compte de l'écart ECN calculé. Les valeurs prédéterminées ajustées VAN peuvent correspondre aux valeurs prédéterminées VPN corrigées d'une quantité comprise entre la moitié de l'écart calculé ECN et 2,5 fois cet écart calculé ECN, par exemple comprise entre la moitié de l'écart calculé ECN et 1,5 fois cet écart calculé ECN. La courbe « C » de la figure 6 montre les valeurs prédéterminées ajustées VAN avec lesquelles le métier à tisser va être programmé pour tisser une structure fibreuse optimisée ayant des espacements inter-colonnes plus proches des valeurs prédéterminées VPN. Concrètement et selon un exemple, si l'on constate des écarts ECN entre les espacements inter-colonnes EN et les valeurs prédéterminées VPN, on peut programmer des valeurs prédéterminées ajustées VAN correspondant aux valeurs prédéterminées VPN corrigées des écarts calculés ECN. Comme indiqué plus haut, cet ajustement peut être répété afin de se rapprocher davantage encore des valeurs prédéterminées VPN pour les espacements inter-colonnes EN, si cela est souhaité après analyse de la structure optimisée tissée. L'expression « comprise entre ... et ... » doit se comprendre comme incluant les bornes.