FR2989020A1 - Procede de fabrication d'une piece epaisse de turbomachine en materiau composite par injection de resine sous pression - Google Patents

Procede de fabrication d'une piece epaisse de turbomachine en materiau composite par injection de resine sous pression Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication (100) d'une pièce (1) épaisse de turbomachine en matériau composite par injection de résine sous pression, comprenant notamment les étapes successives suivantes : - positionner une préforme fibreuse dans un moule (10), - injecter (130) une composition de résine dans le moule (10), - polymériser (140) la composition de résine dans le moule de manière à obtenir la pièce (1), et - démouler (170) la pièce (1), caractérisé en ce qu'il comprend en outre, - préalablement à l'injection (130) de la composition de résine, une étape (120) d'insertion d'une cale de démoulage (20) entre la préforme fibreuse et une paroi (11) du moule (10), et - entre la polymérisation (140) de la composition de résine et le démoulage (170) de la pièce (1), une étape d'extraction (160) de la cale de démoulage (20).

Description

L'invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce épaisse de turbomachine, en utilisant un procédé d'injection de résine sous pression, ou procédé RTM (pour Resin Transfer Molding). L'invention trouve en particulier avantageusement application pour la fabrication de pièces de moteurs de fusée ou de moteurs d'avion et plus particulièrement pour la réalisation de pièces épaisses en matériau composite à renforts fibreux et matrice résine, notamment les aubes composites de compresseurs de turboréacteurs. Le procédé RTM est un procédé couramment utilisé dans la fabrication de pièces aéronautiques. Il consiste en la fabrication d'une préforme en fibres, généralement tissées, qui est mise en place dans un moule fermé où elle reçoit, par injection à basse pression, une résine thermodurcissable de viscosité relativement faible. Les principales étapes du procédé sont le placement de la préforme fibreuse dans le moule, le remplissage du moule par injection, la polymérisation de la résine et le démoulage de la pièce obtenue. Par exemple, dans le cas des aubes de fan pour turbomachines, on tisse une structure en fils ou fibres pour réaliser une préforme qui servira de renfort structurel pour la pièce. On pourra se référer à titre d'exemple aux procédés de réalisation de préformes en fils ou fibres tissé(e)s décrits dans les documents EP 1 526 285, FR 2 861 143 ou FR 2 892 339, au nom de la Demanderesse. On place alors la préforme tridimensionnelle dans un moule au sein d'une installation d'injection de résine sous pression. Une telle installation comprend notamment une enceinte formant autoclave à l'intérieur de laquelle on dispose le moule renfermant la préforme, un système d'injection de résine relié au moule par l'intermédiaire d'un canal d'injection, le cas échéant des moyens de pressurisation de la composition de résine et une source sous vide reliée au moule par l'intermédiaire d'un canal de dépression. De la sorte, une composition de résine peut être introduite sous pression au niveau d'une extrémité du moule, par exemple à la base de celui-ci, et progresser vers une autre extrémité du moule, par exemple vers le haut, sous l'action de la dépression établie dans le moule complétée éventuellement par une surpression d'arrivée de la composition de résine. Après injection de la résine, une étape de polymérisation dans le moule est mise en oeuvre en appliquant des profils de température et de pression donnés au moule. La pièce ainsi obtenue est alors refroidie puis démoulée. Toutefois, l'étape de démoulage présente de façon récurrente des difficultés d'extraction de la pièce moulée, qui augmentent dans le cas des pièces présentant de fortes épaisseurs telles que les aubes d e turbomachines, dans la zone de leur pied. En particulier, en raison de la variation de dilatation entre le moule et l'aube lors du refroidissement de l'aube, l'aube peut rester coincée dans le moule. Ce coincement est encore renforcé par la présence du canal d'injection qui traverse le moule et alimente la préforme en résine, directement depuis le pied de l'aube (généralement en son centre). Après solidification, la résine polymérisée présente dans ce canal bloque en effet la pièce et doit donc être cassée afin de pouvoir l'extraire du moule. Cette opération est généralement réalisée à l'aide d'une spatule à bord tranchant, qui en plus de sectionner le canal d'injection permet, lorsqu'elle elle est glissée sous la pièce, de forcer son extraction. Ces conditions d'extraction endommagent néanmoins localement la pièce et le moule, et présentent une perte de temps non négligeable au vu du nombre de pièces généralement à réaliser.
Il a donc été proposé de créer une dépouille importante dans le moule dans la zone adjacente au canal d'injection, c'est-à-dire typiquement au niveau de la zone de pied de l'aube, afin d'en simplifier l'extraction. Toutefois, la dépouille crée une zone de résine pure sur la pièce qui doit ensuite être enlevée mécaniquement afin de remettre l'aube en conformité géométrique et lui conférer les dimensions voulues, et ne pas perturber les opérations d'usinage ultérieures. Par ailleurs, il a été observé que le plan incliné de la dépouille favorisait la déformation de la préforme tridimensionnelle lors de la mise en moule. Enfin, la réalisation de la dépouille ne permet pas de résoudre les problèmes liés à la polymérisation de la résine dans le canal d'injection.
Un objectif de l'invention est donc de remédier en tout ou partie aux inconvénients de l'état de la technique, et de proposer un procédé de fabrication d'une pièce par injection de résine sous pression, dans lequel l'extraction de la pièce est simplifiée de manière à réduire les risques de coincement de la pièce dans le moule ainsi que de déformation de la pièce fabriquée, ce malgré la présence éventuelle de résine polymérisée dans le canal d'injection. Pour cela, l'invention propose un procédé d'une pièce épaisse de turbomachine en matériau composite par injection de résine sous pression, 15 comprenant notamment les étapes successives suivantes : - positionner une préforme fibreuse dans un moule, - injecter une composition de résine dans le moule, - polymériser la composition de résine dans le moule de manière à obtenir la pièce, et 20 - démouler la pièce, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, - préalablement à l'injection de la composition de résine, une étape d'insertion d'une cale de démoulage entre la préforme fibreuse et une paroi du moule, et 25 - entre la polymérisation de la composition de résine et le démoulage de la pièce, une étape d'extraction de la cale de démoulage. L'invention propose également une cale de démoulage pour la fabrication d'une pièce épaisse, une aube de turbomachine en matériau composite à renforts fibreux et matrice résine obtenue au moyen de ce 30 procédé de fabrication et une turbomachine comprenant une telle aube.
D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée qui va suivre, faite en référence aux figures annexées données à titre d'exemple non limitatif et sur lesquelles : La figure 1 illustre un exemple de moule pour une forme de réalisation d'une aube, vu en perspective, ainsi qu'un exemple de cale de démoulage pouvant être utilisés au cours d'un procédé conforme à l'invention, Les figures 2a à 2c sont des vues simplifiées en coupe du moule et de la cale de la figure 1 au cours du procédé de fabrication de l'invention, La figure 3 illustre une forme de réalisation d'une face d'injection d'un exemple de réalisation de la cale de démoulage, La figure 4 illustre une forme de réalisation d'une face d'appui d'un exemple de réalisation de la cale de démoulage, et La figure 5 est un organigramme représentant différentes étapes d'un 15 exemple de réalisation du procédé de fabrication d'une pièce conforme à l'invention. Un procédé de fabrication par injection de résine sous pression (procédé RTM) 100 conforme à l'invention est décrit dans ce qui suit pour la 20 fabrication d'une pièce en matériau composite comprenant une matrice de fibres noyée dans de la résine du type aube de turbomachine. Ceci n'est cependant pas limitatif. Par ailleurs, les étapes du procédé RTM étant connues, elles ne sont pas décrites en détail. On pourra par exemple se référer aux documents FR 25 2 892 339 ou FR 2 861 143 pour plus d'informations sur ce procédé. Le procédé de fabrication 100 peut être réalisé à partir d'une préforme tridimensionnelle en fils ou fibres tissée conventionnelle, telle que par exemple celle décrite dans les documents précités au nom de la 30 Demanderesse.
La préforme (non illustrée sur les figures) est positionnée 110 dans un moule 10, qui peut éventuellement être préalablement enduit d'un agent démoulant et/ou d'un gel coat. Le moule 10 comprend au moins un canal d'injection 12 traversant l'une de ses parois 11, par exemple la paroi adjacente à la zone destinée à former le pied d'aube, destiné à être en communication avec un système d'injection d'une installation de d'injection de résine sous pression (non illustrée sur les figures). Afin d'améliorer l'extraction de la pièce 1 hors du moule 10, le procédé 10 comprend une étape 120 d'insertion d'une cale de démoulage 20 entre la préforme fibreuse et une paroi du moule 10 préalablement à l'injection de la composition de résine. Etant donné que les difficultés lors du démoulage se manifestent généralement dans les zones des pièces présentant une forte épaisseur, par 15 exemple ayant une épaisseur supérieure ou égale à 5 cm, la cale de démoulage 20 est insérée de préférence contre une paroi du moule adjacente à l'une de ces zones. Par exemple, dans le cas des aubes de turbine, la cale 20 est positionnée contre la paroi 11 du moule destinée à se trouver en regard du pied d'aube. 20 En variante, la cale de démoulage 20 peut également être positionnée contre la paroi du moule 10 comprenant le canal d'injection 12. Ici, la paroi adjacente au pied d'aube et la paroi comprenant le canal d'injection sont les mêmes, de sorte qu'une seule cale de démoulage 20 est nécessaire. Dans le cas où ces parois sont distinctes, il peut être envisagé 25 d'introduire une cale de démoulage 20 contre chacune de ces parois. La cale de démoulage 20 présente une face d'injection 22, destinée à venir en regard de la paroi 11 du moule 12, et une face d'appui 24, opposée à la face d'injection 22, destinée à venir en regard de la pièce 1. La face d'injection 22 et la face d'appui 24 sont reliées entre elles par une face 30 inférieure 26, destinée à venir en regard du moule 12, et une face supérieure 28 opposée à la face inférieure 26.
La face d'injection 22 et la face d'appui 24 forment entre elles un angle de dépouille de l'ordre de 7° à 20° environ. Cet angle de dépouille facilite l'extraction de la cale de démoulage 20 hors du moule lors du démoulage de la pièce 1.
La cale de démoulage 20 peut comprendre des moyens de préhension 30, disposés par exemple sur sa face supérieure 28, permettant de simplifier la préhension de la cale 20 lors du démoulage de la pièce 1. Par exemple, les moyens de préhension peuvent comprendre un ou plusieurs anneaux de levage, ou un marteau à translation (extracteur à inertie), fixés sur la surface supérieure 28 de la cale de démoulage 20. La cale 20 peut alors comprendre des logements destinés à recevoir les anneaux ou le marteau. Lorsque la cale de démoulage 20 est placée en regard de la sortie du canal d'injection, elle permet en outre de compléter le chauffage de la composition de résine (initié en amont du canal d'injection) avant que celle-ci n'atteigne la préforme dans le moule. En effet, la composition de résine doit contourner la cale de démoulage 20 avant d'atteindre la préforme, de sorte que le long de ce parcours, sa température est élevée par son contact avec la cale 20.
Afin de faciliter le contournement de la cale de démoulage 20 par la résine, la cale 20 peut comprendre des gorges de guidage 23, 25 sur l'une ou plusieurs de ses faces 22, 24. Ces gorges de guidages 23, 25 peuvent être usinées dans la ou les parois de la cale 20 de démoulage, ou formées directement lors de la réalisation de la cale 20, par exemple par moulage. Par exemple, la cale 20 peut comprendre une gorge de guidage 23 sur la face d'injection 22. La gorge de guidage 23 peut alors s'étendre depuis une zone en regard de la sortie du canal d'injection 12 jusqu'à l'une des faces inférieure 26 ou supérieure 28 de la cale 20. L'évasement en direction de la face inférieure 26 (plutôt que la face supérieure 28) présente l'avantage de simplifier l'extraction subséquente de la cale de démoulage 20, dans la mesure où la composition de résine polymérisée n'enferme alors par la cale 20 dans le moule. Comme visible sur la figure 3, cette configuration de la gorge de guidage 23 permet la propagation de la composition de résine dans la gorge 23 et son guidage en en direction de la surface inférieure 26 de la cale de démoulage 20 selon les flèches F. Ici, l'évasement de la gorge de guidage 23 est discontinu et fortement accentué au voisinage de la face inférieure, de manière à faciliter le contournement de la cale de démoulage 20 par le flux de résine 40.
La cale 20 peut également comprendre, sur la face d'appui 24, au moins une gorge de guidage 25 qui s'étend de la face inférieure 26 ou supérieure 28 de la cale 20 en direction de la face opposée. De préférence, lorsque la cale de démoulage 20 comprend une gorge de guidage également sur la face d'injection 22, les gorges de la face d'appui 15 24 et de la face d'injection 22 sont adjacentes à la même face de la cale 20, ici la face inférieure 26. Chaque gorge de guidage 25 a pour fonction de permettre une meilleure distribution de la composition de résine sur la préforme. En effet, comme illustré sur la figure 4, le flux de résine 40 est guidé suivant les 20 flèches F dans les gorges 25 de la face inférieure 26 vers le centre de la face d'appui 24, et imprègne ainsi la préforme de façon plus homogène. Afin de limiter les risques de formation d'un étranglement du flux de résine injectée 40, la surface de la ou des gorges de guidage 25 est égale à au moins 30% de la surface totale de la face d'appui 24 de la cale de 25 démoulage 20, de préférence de l'ordre de 50%. Par ailleurs, la section des gorges de guidage de la face d'appui 24 est choisie de manière à limiter les pertes de charge lors de l'injection. Pour cela, la section de passage des gorges de guidage 25 peut par exemple être au moins égale à la section de la sortie du canal d'injection 12. 30 Les zones 25a de la face d'appui 24 faisant saillie par rapport aux gorges de guidage 25, ou autrement dit les zones 25a de la face d'appui dépourvues de gorges de guidage, servent de support à la préforme et permettent de maintenir son positionnement dans le moule 10. Par exemple, la face d'appui 24 peut comprendre trois gorges de guidage 25 sensiblement identiques, qui s'évasent en direction de la face inférieure 26 de la cale de démoulage 20, et dont la surface recouvre environ 50% de la surface totale de la face d'appui 24. Le reste 25a de la surface de la face d'appui 24, autour des gorges de guidage, sert alors de support pour la préforme. Une fois la cale de démoulage 20 insérée dans le moule 10, celui-ci est ensuite fermé, placé dans une autoclave, une étuve ou sous une presse chauffante, et connecté aux différents systèmes de l'installation (non illustrée sur les figures), tels que le système d'injection, la source sous vide, etc. conformément aux procédés RTM conventionnels. Afin de protéger les logements destinés à recevoir les moyens de préhension pendant l'étape d'injection de la composition de résine, des joints toriques peuvent être placé dans lesdits logements. Le moule 10 est alors chauffé et la composition de résine est injectée 130 puis maintenue sous pression à l'issue du remplissage du moule 10. Enfin, la composition de résine est polymérisée 140 puis refroidie 150, de manière à obtenir la pièce 1. La pièce 1 peut ensuite être démoulée. Pour cela, la cale de démoulage 20 est d'abord extraite 160 du moule 10. Etant donné que la résine reste en périphérie de la cale 20 lors de son injection (grâce le cas échéant aux différentes gorges de guidage 23, 25), la 25 cale de démoulage 20 peut être retirée du moule 10 sans effort et sans rester accrochée par la composition de résine polymérisée (et donc solidifiée). Par ailleurs, lorsque la cale 20 comprend au moins une gorge de guidage 23, 25 sur la paroi d'injection 22 et/ou la paroi d'appui 24, la composition de résine polymérisée qui se situait dans les différentes gorges 30 23, 25 est figée dans cette position par la polymérisation et reste donc dans le moule 12 (voir Figure 2c). Elle est en effet retenue d'une part par le canal d'injection 12, et de l'autre par la pièce 1. Selon une forme de réalisation, la profondeur des gorges 23 et 25 est choisie de sorte que cette partie de la composition de résine, qui est pure (c'est-à-dire dépourvue de structure fibreuse), cède facilement au moment du démoulage de la pièce 1. Par exemple, les gorges de guidage 23, 25 (de la paroi d'injection 22 ou de la paroi d'appui 24) peuvent présenter une profondeur maximale de l'ordre de 0.5 mm. La rupture de la composition de résine se fait alors au niveau de points de rupture localisés à l'interface avec la pièce 1 et au niveau de la sortie du canal d'injection. La cale de démoulage 20 est réalisée dans la même matière que le moule.
La mise en oeuvre d'une telle cale de démoulage 20 lors de la réalisation de la pièce permet ainsi de limiter voire de supprimer les risques d'endommagement des pièces à forte épaisseur (c'est-à-dire supérieure à environ 5 mm) qui présentent des risques de coincement lors du démoulage, en particulier les pièces de turbomachines telles que les aubes. L'utilisation d'outils d'extraction n'est en outre plus nécessaire et le démoulage de la pièce est plus rapide, de l'ordre de moins d'une minute pour une aube de turbomachine, contre une quinzaine de minutes pour les procédés de fabrication conventionnels. Enfin, les difficultés d'extraction de la pièce dues à la présence de résine polymérisée dans le canal d'injection 12 du moule 10 sont contournées grâce à l'interposition de la cale 20 entre la préforme et la paroi 1 du moule et de ses éventuelles gorges de guidage 23 et 25.

Claims (11)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication (100) d'une pièce (1) épaisse de turbomachine en matériau composite par injection de résine sous pression, comprenant notamment les étapes successives suivantes : - positionner une préforme fibreuse dans un moule (10), - injecter (130) une composition de résine dans le moule (10), - polymériser (140) la composition de résine dans le moule de manière à obtenir la pièce (1), et - démouler (170) la pièce (1), caractérisé en ce qu'il comprend en outre, - préalablement à l'injection (130) de la composition de résine, une étape (120) d'insertion d'une cale de démoulage (20) entre la préforme fibreuse et une paroi (11) du moule (10), et - entre la polymérisation (140) de la composition de résine et le démoulage (170) de la pièce (1), une étape d'extraction (160) de la cale de démoulage (20).
  2. 2. Procédé de fabrication selon la revendication 1, dans lequel la paroi (11) du moule (10) comprend un canal d'injection (12) de la composition de résine dans le moule (10).
  3. 3. Procédé de fabrication selon la revendication 2, dans lequel la cale de démoulage (20) comprend au moins une face (22, 24) présentant au moins une gorge de guidage (23, 25) de la composition de résine d'injection, afin de faciliter le contournement de la cale de démoulage (20) par la composition de résine lors de l'étape d'injection (130).
  4. 4. Procédé de fabrication selon la revendication 3, dans lequel la ou les gorges de guidage (23, 25) sont évasées en direction d'une deuxième face (26) de la cale de démoulage (20) adaptée pour être disposée au fond du moule (10).
  5. 5. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 3 ou 4, dans lequel la ou les faces (22, 24) présentant la ou les gorges de guidage (23, 25) est positionnée en regard du canal d'injection (12) et/ou en regard de la pièce (1).
  6. 6. Procédé de fabrication selon la revendication 5, dans lequel une surface de la ou des gorges(s) de guidage (25) de la face (24) en regard de la pièce (1) couvre(nt) au moins 30% de la surface totale de ladite face, de préférence 50%.
  7. 7. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel la cale de démoulage (20) présente deux faces opposées (22, 24) convergentes en direction d'une deuxième face (26) adaptée pour être disposée au fond du moule (10), de manière à former avec la paroi (11) un angle de dépouille non nul.
  8. 8. Procédé de fabrication selon la revendication 7, dans lequel l'angle de dépouille est compris entre 7° et 20°.
  9. 9. Cale de démoulage (20) pour la fabrication d'une pièce (1) épaisse de turbomachine en matériau composite par injection de résine sous pression selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une face (22, 24) présentant au moins une gorge de guidage (23, 25) de la composition de résine d'injection, afin de faciliter le contournement de la cale de démoulage (20) par la composition de résine lors de l'étape d'injection (130).
  10. 10. Aube (1) d'une turbomachine en matériau composite, caractérisée en ce qu'elle est obtenue au moyen d'un procédé de fabrication (100) selon l'une des revendications 1 à 8.
  11. 11. Turbine comportant une aube (1) selon la revendication 10.
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