FR2835854A1 - FIBROUS PREFORMS AND THEIR MANUFACTURING PROCESS - Google Patents
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Abstract
Ces préformes fibreuses sont prévues pour être associées à des résines en vue de la constitution de pièces ou matériaux composites, de préférence des pièces structurelles. La préforme (1) comprend une pluralité de couches superposées de fils (5, 6), avec dans chaque couche des fils parallèles entre eux. Les couches (5, 6) successives sont assemblées entre elles par un liant, les directions de fils pouvant être alternées d'une couche à une autre.Application à l'industrie aéronautique et spatiale.These fiber preforms are designed to be combined with resins for the purpose of forming composite parts or materials, preferably structural parts. The preform (1) comprises a plurality of superimposed layers of threads (5, 6), with threads in each layer parallel to each other. The successive layers (5, 6) are assembled together by a binder, the directions of the son being able to be alternated from one layer to another. Application to the aeronautical and space industry.
Description
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La présente invention concerne la réalisation de préformes fibreuses, prévues pour être associées à des résines en vue de la constitution de pièces en matériaux composites, de préférence des pièces structurelles, utilisables dans des industries diverses et notamment dans l'industrie aéronautique et spatiale. The present invention relates to the production of fibrous preforms, intended to be associated with resins with a view to constituting parts made of composite materials, preferably structural parts, usable in various industries and in particular in the aeronautical and space industry.
La technologie de moulage par transfert de résine (procédé dit "RTM"), ou d'infusion de résine (procédé dit "RI"), suivi de sa polymérisation, sur ce type de préformes, permet de conférer des caractéristiques mécaniques optimales aux pièces et structures ainsi obtenues, tout en procurant un abaissement significatif des coûts. The technology of resin transfer molding (so-called "RTM" process), or resin infusion (so-called "RI" process), followed by its polymerization, on this type of preforms, gives optimal mechanical characteristics to the parts. and structures thus obtained, while providing a significant reduction in costs.
Des structures simples, telles que des pièces de section en I, H, T, CI ou u, ainsi que des structures plus complexes obtenues par l'assemblage de telles structures élémenaires, sont concernées par la présente invention, et peuvent être obtenues par le procédé de moulage par transfert de résine. Simple structures, such as I, H, T, CI or u section pieces, as well as more complex structures obtained by the assembly of such elementary structures, are concerned with the present invention, and can be obtained by the resin transfer molding process.
Les préformes fibreuses brutes, dites aussi préformes"sèches", utilisées dans ce contexte, doivent répondre à un certain nombre de critères :
- Utilisation de fibres continues à hautes performances, de type carbone HR (haute résistance), HM (haut module), IM (module intermédiaire), - Précision dimensionnelle, en vue d'une adaptation parfaite au moule, - Précision d'orientation des couches de fibres, et de répartition de ces couches, - Continuité des fibres, - Respect des linéarités des fibres dans tous les plans, l'objectif à atteindre étant l'obtention d'un taux volumique de fibres de l'ordre de 55 à 60%, et de caractéristiques mécaniques constantes et reproductibles. The raw fibrous preforms, also called "dry" preforms, used in this context, must meet a certain number of criteria:
- Use of high performance continuous fibers, of carbon type HR (high resistance), HM (high module), IM (intermediate module), - Dimensional precision, with a view to perfect adaptation to the mold, - Precision of orientation of the layers of fibers, and distribution of these layers, - Continuity of the fibers, - Respect for the linearity of the fibers in all the planes, the objective to be achieved being the obtaining of a volume ratio of fibers of the order of 55 to 60%, and with constant and reproducible mechanical characteristics.
Actuellement, la réalisation de telles préformes"sèches"implique soit le passage par une étape textile (par exemple tissage, tricotage ou tressage préalable des fibres), soit une étape de dépose filamentaire (par fil unitaire ou fils groupés en nappes), puis une étape de couture ou piquage dans l'épaisseur, ou autre opération de liage mécanique, en vue d'assurer la liaison des différentes couches et procurer une tenue permettant la manipulation de l'ensemble. Currently, the production of such "dry" preforms involves either passing through a textile step (for example weaving, knitting or prior braiding of the fibers), or a filamentary deposition step (by unitary thread or threads grouped in layers), then a sewing or stitching step in the thickness, or other mechanical binding operation, in order to ensure the connection of the different layers and provide a holding allowing the manipulation of the assembly.
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Ces techniques présentent encore des inconvénients, et en particulier elles sont la cause d'un abaissement des caractéristiques mécaniques, par des destructions d'une partie des filaments lors du tissage, ou par déformation des fils sur eux-mêmes, ou par ondulation du positionnement des fils, ce qui va à l'encontre des objectifs recherchés. En particulier, l'ondulation des fils aussi appelée "embuvage" diminue la rigidité, et elle peut créer des poches de résine, qui limitent les performances mécaniques du produit final. These techniques also have drawbacks, and in particular they are the cause of a lowering of the mechanical characteristics, by destruction of part of the filaments during weaving, or by deformation of the threads on themselves, or by undulation of the positioning. sons, which goes against the desired objectives. In particular, the undulation of the threads also called "embuvage" decreases the rigidity, and it can create pockets of resin, which limit the mechanical performances of the final product.
De plus, les opérations intermédiaires des techniques actuelles augmentent les coûts de transformation pour l'obtention des préformes fibreuses en question. In addition, the intermediate operations of current techniques increase the transformation costs for obtaining the fiber preforms in question.
La présente invention vise à remédier à ces inconvénients, en fournissant une technique de réalisation différente pour de telles préformes, permettant l'obtention de caractéristiques mécaniques optimales tout en réduisant les coûts. The present invention aims to remedy these drawbacks by providing a different production technique for such preforms, allowing optimum mechanical characteristics to be obtained while reducing costs.
A cet effet, l'invention a essentiellement pour objet une préforme fibreuse, du genre ici concerné, qui comprend une pluralité de couches superposées de fils, avec dans chaque couche des fils parallèles entre eux, les couches de fils successives étant assemblées entre elles par un liant, et les fils d'une couche possédant une direction différente de celle des fils d'au moins une autre couche. To this end, the invention essentially relates to a fibrous preform, of the type here concerned, which comprises a plurality of superimposed layers of threads, with in each layer of threads parallel to each other, the successive layers of threads being assembled together by a binder, and the threads of a layer having a direction different from that of the threads of at least one other layer.
Ainsi, dans les préformes fibreuses conformes à la présente invention, les fils sont disposés parallèlement entre eux dans une couche, et ils sont déposés par couches successives permettant une alternance appropriée des angles définissant les directions de ces fils, avec un respect du drapage. Quel que soit leur nombre, les couches de fils sont assemblées entre elles par un liant approprié. Thus, in the fibrous preforms in accordance with the present invention, the threads are arranged parallel to one another in a layer, and they are deposited in successive layers allowing an appropriate alternation of the angles defining the directions of these threads, with respect for the layup. Whatever their number, the layers of threads are joined together by an appropriate binder.
L'invention permet donc la constitution de préformes"sèches"sans aucun liage mécanique ou textile, mais uniquement par un moyen physicochimique. Les coûts de fabrication de ces préformes s'en trouvent sensiblement réduits, par suppression d'une opération textile ou analogue, telle que tissage, tricotage, couture, cloutage ou agrafage, en permettant l'obtention de caractéristiques mécaniques optimales du fait de la non-détérioration des fils (il n'y a plus de filaments coupés) et du respect de la linéarité de ces fils. The invention therefore allows the constitution of "dry" preforms without any mechanical or textile bonding, but only by physicochemical means. The manufacturing costs of these preforms are thereby significantly reduced, by eliminating a textile or similar operation, such as weaving, knitting, sewing, studding or stapling, allowing optimum mechanical characteristics to be obtained due to the non -deterioration of the threads (there are no longer any cut filaments) and respect for the linearity of these threads.
La linéarité, c'est-à-dire l'absence d'ondulation des fils, procure une meilleure rigidité de la pièce composite finale, et elle confère comme propriété The linearity, that is to say the absence of undulation of the wires, provides better rigidity of the final composite part, and it confers as a property
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supplémentaire, sur la préforme, un foisonnement naturel de cette préforme qui est inférieur ou égal à 5%, et permet de réduire la concentration de contraintes lors de la fermeture du moule utilisé dans le procédé de moulage par transfert de résine ; elle autorise aussi la réalisation de formes complexes, sans aucune restriction. additional, on the preform, a natural expansion of this preform which is less than or equal to 5%, and makes it possible to reduce the concentration of stresses when closing the mold used in the resin transfer molding process; it also allows the realization of complex shapes, without any restriction.
En ce qui concerne le liant, on connaît des agents fixants ou liants de préformage, qui permettent par exemple de rigidifier des structures unidirectionnelles tissées. Cependant, jusqu'à présent, il n'a été fait aucune application de tels liants sur des fils non liés textilement, et il n'existait pas d'éléments permettant de prouver la permanence de structures multicouches, de formes simples ou complexes, assemblées au moyen de tels liants. As regards the binder, fixing agents or preforming binders are known, which make it possible, for example, to stiffen woven unidirectional structures. However, until now, no application has been made of such binders on unbound textured yarns, and there have been no elements making it possible to prove the permanence of multilayer structures, of simple or complex shapes, assembled by means of such binders.
Le liant utilisable pour la constitution des préformes fibreuses selon l'invention est, avantageusement, une formule monocomposante à base d'époxy TGMDA avec un durcisseur à base d'amine de type aromatique par exemple M-CDEA, le tout dans un solvant méthyle acétate afin de lui conférer la viscosité appropriée lors de son utilisation. Un tel liant présente l'avantage d'être totalement compatible avec les nouvelles résines d'injection structurelles "haute performance", utilisées dans le procédé de moulage par transfert de résine, et d'avoir fait ses preuves sur des produits textiles classiques unidirectionnels ou à deux dimensions, ou plus récemment sur des tissus multiaxiaux. The binder which can be used for the constitution of the fiber preforms according to the invention is, advantageously, a single-component formula based on TGMDA epoxy with an amine hardener of aromatic type, for example M-CDEA, all in a methyl acetate solvent. in order to give it the appropriate viscosity during its use. Such a binder has the advantage of being fully compatible with the new "high performance" structural injection resins used in the resin transfer molding process, and of having proven itself on conventional unidirectional or two-dimensional, or more recently on multiaxial fabrics.
De préférence, le taux de liant est inférieur à 15% de la masse totale de la préforme. Preferably, the level of binder is less than 15% of the total mass of the preform.
L'utilisation de liants de la famille indiquée ci-dessus permet d'assembler des couches successives de fil, pour former des structures de section en I, U, T, D, etc... d'épaisseur et de largeur variable. Un assemblage de telles structures de forme élémentaire entre elles, par l'utilisation du même type de liant que celui assemblant les couches de fils de chaque structure de forme élémentaire, permet la réalisation de préformes de géométrie plus complexe : forme bilobée, échelle, panneau autoraidi, caisson, etc... The use of binders of the family indicated above makes it possible to assemble successive layers of wire, to form section structures in I, U, T, D, etc. of variable thickness and width. An assembly of such elementary structures between them, by the use of the same type of binder as that assembling the layers of wires of each elementary structure, allows the production of preforms of more complex geometry: bilobed form, ladder, panel autoraidi, box, etc ...
Grâce à l'invention, on peut obtenir des préformes de longueurs supérieures à 5 mètres et de masses supérieures à 20 kilogrammes, sans dégradation des préformes et en respectant leur géométrie, de telles préformes pouvant être manipulées manuellement sans problèmes. En particulier, l'invention permet l'obtention directe de préformes aux cotes nominales, évitant Thanks to the invention, it is possible to obtain preforms of lengths greater than 5 meters and of masses greater than 20 kilograms, without degrading the preforms and respecting their geometry, such preforms being able to be handled manually without problems. In particular, the invention makes it possible to directly obtain preforms with nominal dimensions, avoiding
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ainsi toutes retouches ou autres opérations de finition, ce qui contribue aussi à la réduction des coûts. thus all touch-ups or other finishing operations, which also contributes to cost reduction.
De toute façon, l'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemple, une forme d'exécution d'une telle préforme fibreuse :
Figure 1 est une vue en perspective d'un tronçon d'une structure en l réalisée conformément à l'invention, avec indication des orientations des fils dans les différentes parties de la structure, et des proportions de ces fils ;
Figure 2 est une vue en coupe très schématique de la structure de figure 1, avec indication des diverses couches de fils. In any case, the invention will be better understood with the aid of the description which follows, with reference to the appended diagrammatic drawing representing, by way of example, an embodiment of such a fibrous preform:
Figure 1 is a perspective view of a section of an L-shaped structure produced in accordance with the invention, with indication of the orientations of the wires in the different parts of the structure, and of the proportions of these wires;
Figure 2 is a very schematic sectional view of the structure of Figure 1, with indication of the various layers of son.
L'exemple illustré est une préforme 1 de section en"i", avec une semelle inférieure 2 et une semelle supérieure 3, reliées par une âme 4. The example illustrated is a preform 1 of section in "i", with a lower sole 2 and an upper sole 3, connected by a core 4.
Pour la suite de l'explication, on considère comme direction à 00 la direction longitudinale X de la préforme 1. For the remainder of the explanation, the longitudinal direction X of the preform 1 is considered as direction at 00.
L'ensemble de cette préforme 1, c'est-à-dire les deux semelles 2 et 3 et l'âme 4, est constitué par une superposition de couches de fils parallèles entre eux, les couches de fils successives étant assemblées entre elles par un liant. Ces fils sont, par exemple, des fils de carbone à haute résistance, tels que du type "12000 filaments". The whole of this preform 1, that is to say the two flanges 2 and 3 and the core 4, is constituted by a superposition of layers of wires parallel to each other, the layers of successive wires being assembled together by a binder. These threads are, for example, high strength carbon threads, such as of the “12000 filaments” type.
Globalement, dans chaque semelle 2 ou 3, sont prévues des couches de fils orientés à 0 , des couches de fils orientés à 900, des couches
de fils orientés à + 450 et de des couches de fils orientés à-45 , tous les fils étant parallèles au plan de la semelle 2 ou 3. Les fils orientés à 0 représentent, par exemple, environ 43% de la masse totale des fils. Les fils orientés à 900, à + 450 et à - 450 représentent, respectivement, environ 19% de la masse totale des fils. Overall, in each sole 2 or 3, there are provided layers of wires oriented at 0, layers of wires oriented at 900, layers
of wires oriented at + 450 and of layers of wires oriented at -45, all the wires being parallel to the plane of the sole 2 or 3. The wires oriented at 0 represent, for example, about 43% of the total mass of the wires . The wires oriented at 900, at + 450 and at - 450 represent, respectively, about 19% of the total mass of the wires.
Dans l'âme 4, sont prévues des couches de fils orientés à 00, des couches de fils orientés à 90 , des couches de fils orientés à + 45 et des couches de fils orientés à-45 , tous les fils étant parallèles au plan de l'âme 4. In the core 4, there are provided layers of wires oriented at 00, layers of wires oriented at 90, layers of wires oriented at + 45 and layers of wires oriented at-45, all the wires being parallel to the plane of soul 4.
Les fils orientés selon ces quatre directions représentent, respectivement, 25% de la masse totale des fils. The wires oriented in these four directions represent, respectively, 25% of the total mass of the wires.
Dans le détail, comme le montre la figure 2, sont prévues : des couches de fils appartenant en propre à la semelle inférieure 2, des couches de fils formant la partie supérieure de la semelle inférieure 2 et se prolongeant das l'âme 4, des couches de fils appartenant en propre à la semelle supérieure In detail, as shown in FIG. 2, there are provided: layers of wires belonging specifically to the lower sole 2, layers of wires forming the upper part of the lower sole 2 and extending in the core 4, layers of yarn belonging directly to the upper sole
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3, et des couches de fils forment la partie inférieure de la semelle supérieure 3 qui proviennent de l'âme 4. 3, and layers of wires form the lower part of the upper sole 3 which come from the core 4.
Les pointillés de la figure 2 symbolisent les couches de fils 5 orientés à 00. Les traits continus 6 symbolisent des"blocs"groupant chacun une couche de fils orientés à 0 , une couche de fils orientés à 90 , une couche de fils orientés à + 450 et une couche de fils orientés à-45 , ces quatre couches se succédant dans l'ordre suivant : + 45 , 0 ,-45 , 90 . The dotted lines in FIG. 2 symbolize the layers of wires 5 oriented at 00. The solid lines 6 symbolize "blocks" each grouping a layer of wires oriented at 0, a layer of wires oriented at 90, a layer of wires oriented at + 450 and a layer of wires oriented at -45, these four layers succeeding each other in the following order: + 45, 0, -45, 90.
On notera aussi la symétrie de ces couches et/ou blocs de fils 5,6, tant dans les deux semelles 2 et 3 que dans l'âme 4 (symétrie"miroir"par rapport au plan médian des parties concernées). Note also the symmetry of these layers and / or blocks of wires 5,6, both in the two soles 2 and 3 and in the core 4 ("mirror" symmetry with respect to the median plane of the parts concerned).
Les différentes couches superposées sont assemblées par un liant, tel que celui commercialisé par la Société STRUCTIL sous la référence ST 1153, le liant pouvant représenter environ 15% de la masse totale de la préforme 1. The various superposed layers are assembled by a binder, such as that sold by the company STRUCTIL under the reference ST 1153, the binder being able to represent approximately 15% of the total mass of the preform 1.
Pour la fabrication de cette préforme 1, le procédé mis en oeuvre consiste à déposer les fils parallèlement entre eux et par couches successives, avec alternance appropriée des orientations de ces fils, en amenant et déposant le liant entre les couches de fils 5 successives. L'amenée et la dépose du liant sont réalisables soit par vaporisation, soit par un transfert par voie humide, notamment du type enduction ou lécher ou plein bain. For the manufacture of this preform 1, the process implemented consists in depositing the wires parallel to one another and in successive layers, with appropriate alternation of the orientations of these wires, by bringing and depositing the binder between the layers of successive wires 5. The binder can be brought in and removed either by spraying or by wet transfer, in particular of the coating or licking or full bath type.
L'on peut ainsi réaliser une préforme en"i"de hauteur H égale à environ 100 mm, et d'une longueur pouvant être comprise entre quelques centimètres et plusieurs mètres, avec deux semelles 2 et 3 d'épaisseur E égale à environ 8 mm, et une âme d'épaisseur e égale à environ 4 mm. It is thus possible to produce a "i" preform of height H equal to approximately 100 mm, and of a length which may be between a few centimeters and several meters, with two flanges 2 and 3 of thickness E equal to approximately 8 mm, and a core of thickness e equal to approximately 4 mm.
Bien entendu, l'invention ne se limite pas à la seule forme d'exécution de cette préforme fibreuse qui a été décrite ci-dessus, à titre d'exemple ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes de réalisation et d'application respectant le même principe. En particulier, l'on ne s'éloignerait pas du cadre de l'invention : - en modifiant le nombre des couches de fils, et/ou l'orientation de ces fils ; - en utilisant des fils de toutes matières appropriées : fils en fibre de verre, fils en aramide, etc... Of course, the invention is not limited to the sole embodiment of this fibrous preform which has been described above, by way of example; on the contrary, it embraces all of the variant embodiments and applications respecting the same principle. In particular, it would not depart from the scope of the invention: - by modifying the number of layers of wires, and / or the orientation of these wires; - using yarns of all appropriate materials: fiberglass yarns, aramid yarns, etc.
- en utilisant un autre liant pour l'assemblage des couches de fils ; - en formant, par superposition et assemblage des couches de fils, des préformes de toutes sections, épaisseurs et longueurs, - using another binder for assembling the layers of wires; - by forming, by superimposing and assembling the layers of wires, preforms of all sections, thicknesses and lengths,
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éventuellement de formes complexes obtenues par l'assemblage de structures de forme élémentaire, avec utilisation du même type de liant ; - en utilisant toute technique pour l'amenée et la dépose du liant entre les couches de fils successives. optionally complex shapes obtained by assembling elementary structures, using the same type of binder; - using any technique for supplying and depositing the binder between the successive layers of son.
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