FR3050682A1 - Procede de realisation de structure composite auto-raidie, equipement de mise en oeuvre et piece monobloc correspondante. - Google Patents

Abstract

L'invention vise à réaliser, en une seule opération, une structure de stratifié auto-raidie et sensiblement dépourvue de porosité afin de former des pièces complexes, de grandes dimensions et pouvant intégrer des fonctions multiples de rigidification. Pour ce faire, il est proposé d'utiliser un drainage naturel multiple de la résine dans chaque zone élémentaire d'un maillage de la configuration de peau élaboré à partir d'une estimation de la perméabilité. Selon une forme de réalisation, un équipement de mise en œuvre du procédé de réalisation d'une structure auto-raidie selon l'invention comporte une contre-forme (9) dans laquelle sont découpés des canaux d'injection de résine (4). La contre-forme (9) repose sur des zones élémentaires d'infusion (2, 20a, 20b) de maillage qui intègrent des raidisseurs (Ra, Rb) associés à la peau (1) et est recouverte de manière étanche par une vessie souple (10) de mise sous vide. Les canaux d'injection (4) et des fentes de liaison (4f) sont découpés dans la contreforme (9) au droit de lignes médianes (5, 5a, 5b) des zones élémentaires (2, 20a, 20b). Des interfaces de renforcement (8a, 8b) définissent les frontières entre les zones élémentaires (2, 20a, 20b).

Description

PROCÉDÉ DE RÉALISATION DE STRUCTURE COMPOSITE AUTO-RAIDIE, ÉQUIPEMENT DE MISE EN ŒUVRE ET PIÈCE MONOBLOC CORRESPONDANTE

DESCRIPTION

DOMAINE TECHNIQUE

[0001] L’invention se rapporte à un procédé de réalisation d’une structure auto-raidie en matériau composite, à un équipement pour la mise en oeuvre d’un tel procédé, ainsi qu’à une pièce monobloc formée à partir d’une telle structure.

[0002] Une structure composite auto-raidie est en général composée d’une structure stratifiée de base comportant une ou plusieurs peaux en matériau composite associés à des raidisseurs pleins ou creux, également en matériau composite, et s’étendant transversalement, radialement et/ou circulairement en fonction de la forme globale de la pièce.

[0003] De telles structures auto-raidies sont destinées à constituer des pièces composites directement utilisées ou constituant des moules / outillages de fabrication de pièces, principalement pour l’industrie aéronautique (fuselages monoblocs, carénages de mât de réacteur, panneaux de voilure, planchers d’aéronefs, etc.), l’industrie spatiale (antennes réflectrices), ou encore les télécommunications (antennes d’émission/réception au sol), l’énergie renouvelable (pales d’éolienne), le ferroviaire, l’automobile ou le bâtiment.

[0004] Chaque peau de la structure stratifiée se compose de fibres imprégnées d’une résine thermodurcissable, classiquement une résine époxy, formant un liant assurant la cohésion de la peau et transmettant les efforts. Les fibres utilisées sont en général des fibres de carbone ou de verre, ou encore des fibres aramides ou céramiques en fonction des caractéristiques recherchées: hautes propriétés mécaniques (fibres de carbone élaborées à partir de fibres acryliques et fibres aramides renforcées par des hybridations type verre-keviar® ou carbone-keviar®), rapport performance / coût (fibres de verre) ou résistance aux hautes températures, par exemple jusqu’à environ 2000°C (fibres céramiques).

[0005] La peau présente une texture composite stratifiée par drapage, c’est-à-dire par superposition ou empilement de nappes successives, appelées également plis, de fibres imprégnées de résine. Les empilements de nappes sont uni- ou bidirectionnels c’est-à-dire, dans ce cas, orientés selon des directions différentiées d’une couche à l’autre et récurrentes afin d’obtenir les propriétés de résistance mécanique visées (traction, compression, cisaillement, etc.).

[0006] Les structures stratifiées destinées à subir des torsions ou des flexions sont plus particulièrement construites sur un modèle de type « sandwich ». Ce modèle se compose de deux peaux composites stratifiées reliées par collage à une âme centrale à l’aide d’une résine compatible. L’âme est un matériau composite se présentant sous forme de « nid d’abeilles », d’ondulations ou de mousse, afin de résister aux contraintes de cisaillement hors plan.

[0007] Il existe également des textures multidirectionnelles réalisées à partir de tissages volumiques de type 2D à 4D ou plus, avec un nombre correspondant de directions de fibres ou un piquage dans une direction supplémentaire, ou selon des tissages cylindriques ou conique pour réaliser des pièces présentant ces formes. De telles structures massives sont destinées plus particulièrement à l’industrie aéronautique (tuyères, réservoirs, etc.).

[0008] De manière générale, les structures composites auto-raidies sont réalisées par drapage par pré-imprégnation ou par imprégnation en voie liquide d’une résine non durcie. La ou les peaux de la structure stratifiée sont ainsi formées selon une configuration prédéterminée présentant par exemple des raidisseurs, à mettre l’ensemble sous vide puis à polymériser la résine à l’aide d’un agent de réticulation par un traitement thermique dans un four, en général un four autoclave.

[0009] Ce traitement permet de réaliser une compaction des textures stratifiées des nappes avec un durcissement simultané de la résine, ce qui garantit un collage des raidisseurs et de la texture stratifiée avec un faible taux de porosité et donc une bonne santé matière (c’est-à-dire une minimisation des défauts et des retassures, une bonne orientation des fibres et un taux de résine adapté aux caractéristiques mécaniques recherchées).

ÉTAT DE LA TECHNIQUE

[0010] Cependant, le passage en four autoclave est une étape qui génère un goulot d’étranglement dans le cycle industriel avec une durée d’immobilisation importante, des conditions de mise en place délicates lorsque le drapage est manuel ou l’impossibilité de réaliser des pièces de forme complexe pouvant intégrer des fonctions multiples avec des machines de nappage automatique, un taux de main d’œuvre élevé pour draper les nappes pré-imprégnées ou pour remédier aux erreurs de manipulation que peut provoquer le nappage automatique, et une durée de vie limitée des tissus pré-imprégnés qui rend difficile la gestion des stocks.

[0011] Pour améliorer ces aspects en s’affranchissant du passage en four autoclave, il est connu d’utiliser une technologie d’injection par voie liquide sous vide - dite par infusion - qui fait intervenir des équipements drainants, de type crépine, filet, plaque ou grille, permettant de conduire et de distribuer la résine entre et dans des mèches de fibres. La réticulation de la résine peut être accélérée par un traitement thermique ou par rayonnement ultérieur, après mise en conformation de la structure à réaliser, en particulier par l’ajout de nervures de renfort. Une telle technologie est par exemple décrite dans les documents de brevet US 2011315824, US 2015099834 ou US 2015102535.

[0012] Le principe de la technologie par infusion est illustré en figure 1 par une vue en coupe schématique d’une peau stratifiée 1 (dit « le stratifié ») de fibres de carbone. Le stratifié 1 repos sur un support de moule Ml et intègre, en surface, une grille drainante 11 (dit « le drainant »). Une vessie 10 ferme hermétiquement le stratifié 1 sur le support Ml et le vide est généré par une pompe (non représentée) à travers un conduit 12 en liaison avec la vessie 10. La résine thermodurcissable 6 - en général une résine époxy (alternativement polyester ou vinyle ester) - est injectée sur le stratifié 1 via une vanne d’entrée 13, en général à partir d’une gaine spiralée d’alimentation (non représentée).

[0013] La résine 6 pénètre dans le stratifié 1 avec des fronts Fl et F2 d’imprégnation dans les directions longitudinale Dl et transverse Dt. Les fronts d’imprégnation Fl et F2 ont des profils différents dans le drainant 11 et dans le stratifié 1: dans le drainant 11, le front d’imprégnation Fl est constant et se déplace dans la direction longitudinale Dl avec une vitesse constante et relativement élevée (flèche V1), alors que dans le stratifié 1 le front d’imprégnation F2 présente une pente inclinée en se déplaçant avec une vitesse sensiblement plus faible et linéairement variable. En effet, la résine 6 pénètre dans la direction transverse Dj du stratifié 1 avec un retard qui s’accumule du fait de la forte densité en fibres 7 qui induit une faible perméabilité transverse. Et plus la perméabilité du drainant 11 est élevée plus le front d’imprégnation F2 est incliné.

[0014] Dans ces conditions, des porosités intra-fibres apparaissent dans le début d’imprégnation du stratifié 1 proche du drainant 11 car la vitesse d’imprégnation est alors trop élevée et la résine 6 n’a pas le temps nécessaire à la pénétration au cœur des fibres de carbone 7 qui sont, en général, de type multi-filament (les filaments formant des mèches). Inversement, plus profondément dans la direction transverse Dt du stratifié 1, la faible vitesse de pénétration induit la formation de porosités inter-fibres dans des zones qui se vident avec l’infiltration de résine 6 dans les mèches voisines, l’alimentation étant alors insuffisante pour remplir le stratifié 1 en profondeur.

[0015] Finalement l’imprégnation de la résine 6 dans le stratifié 1 n’est réalisée correctement, sans générer de porosité tout en favorisant une bonne santé matière, que dans une fine portion centrale du stratifié 1. Outre une rétention d’eau, ces stratifiés posent donc des problèmes de contrôle de santé matière, ce qui complique la maintenance en phase opérationnelle pendant la durée de vie du produit. De plus, les structures drainantes sont peu compatibles avec l’intégration de fonctions de rigidification et de forme complexe et ne permettent pas de garantir la géométrie des formes lors de la mise sous vide.

EXPOSÉ DE L’INVENTION

[0016] L’invention vise précisément à réaliser, en une seule opération, une structure de renfort stratifié auto-raidie afin de former des pièces de configuration complexe, de grandes dimensions indépendamment de l’épaisseur, et pouvant intégrer des fonctions multiples de rigidification - ce qui supprime les phases d’assemblage par rivetage-, à partir d’une structure sensiblement dépourvue de porosité, tout en produisant un très faible taux de déchets et d’effluents. Pour ce faire, l’invention n’utilise pas de support de drainage mais un drainage naturel multiple, propre au drapage des fibres, par un découpage en zones élémentaires d’infusion de résine selon un maillage de la configuration élaboré en fonction d’une estimation de la perméabilité des nappes du stratifié. Une infusion de la résine est alors mise en oeuvre simultanément dans toutes les zones élémentaires de ce maillage, ce qui permet d’optimiser la vitesse d’imprégnation de la résine dans le renfort.

[0017] A cet effet, la présente invention a pour objet un procédé de réalisation d’une structure auto-raidie en matériau composite par voie liquide, comportant une étape de formation d’une configuration déterminée d’une peau associée à des raidisseurs disposés sur la peau, la peau et les raidisseurs se composant d’un stratifié de nappes de fibres superposées selon des directions préétablies; une étape d’estimation des perméabilités du stratifié selon trois axes dans des secteurs du stratifié de différentes épaisseurs, de différentes orientations des nappes de fibres et de limites formées par des interfaces de rigidification des différents raidisseurs ; une étape de maillage de cette configuration en zones élémentaires d’infusion découpées, en proportion des estimations de perméabilité du stratifié, selon des largeurs élémentaires sensiblement égales dans les secteurs de peau sans raidisseur et des largeurs sensiblement supérieures dans les secteurs de rigidification, selon des épaisseurs sensiblement égales à celle du secteur correspondant, ainsi que selon des longueurs et des orientations par segmentation adaptée à ladite configuration; une étape de positionnement de canaux d’injection de résine dans chaque zone élémentaire, les canaux et les zones élémentaires étant recouverts de manière étanche sur toute l’étendue ladite configuration; une étape de conditionnement en pression et d’injection de résine en proportion des dimensions et de la perméabilité des zones élémentaires dans des entrées d’injection en liaison avec lesdits canaux; puis, après l’imprégnation de résine dans les nappes de fibres, une étape de cuisson de la résine suivie d’une étape de retrait des canaux après rétablissement de la pression atmosphérique.

[0018] Dans ces conditions, pour une même durée, la distance parcourue par la résine dans chaque canal est en moyenne 100 à 1000 fois supérieure à celle parcourue par la résine dans le stratifié. L’invention permet donc d’imprégner, pendant une même durée, des surfaces de stratifié de dimension bien plus importante que celles imprégnées avec les méthodes traditionnelles. De plus, l’absence de moyen drainant et de gaine spiralée d’alimentation en résine permet de réduire sensiblement les déchets ainsi que les pertes de résine dans ces équipements.

[0019] Selon des modes de mise en oeuvre préférés: - les étapes d’estimation des perméabilités et de maillage de la configuration en zones élémentaires d’infusion sont conduites à partir de mesures du suivi d’imprégnation de résine dans les secteurs selon trois axes; - les étapes d’estimation des perméabilités trois axes et de maillage de la configuration en zones élémentaires d’infusion sont mises en oeuvre par modélisation de la configuration et par simulation, en particulier aux conditions limites d’entrée - sortie, des injections de résine dans les entrées de résine et d’un suivi d’imprégnation de résine; - les trajets des canaux sont segmentés avec une répartition équilibrée des canaux selon des directions principales de la configuration, un regroupement des entrées d’injection de résine selon les quantités de résine à injecter et une limitation des trajets des canaux en longueur ; - les entrées d’injection sont alignées à une extrémité de canaux primaires formant un premier segment de leur trajet; - les canaux présentent une section en évolution croissante à partir des entrées d’injection de résine, cette évolution permettant de compenser les pertes de charge de résine dans les canaux; - chaque nappe de fibres est composée de préformes élémentaires estampées automatiquement sous presse, afin que la structure présente une excellente santé matière malgré l’absence de compaction pendant la phase de cuisson; - les raidisseurs sont préalablement formés selon une configuration prédéterminée, en particulier par pré-imprégnation de résine en poudre et précuisson; - les zones élémentaires forment un réseau d’imprégnation qui est répété séquentiellement pour alimenter un stratifié qui présente une conformation répétitive; - les moyens de mise en condition de pression sont des moyens de mise sous vide ou des moyens qui exercent une mise sous pression de la configuration, lors de l’étape d’injection de la résine.

[0020] L’invention se rapporte également à un équipement de mise en oeuvre du procédé de réalisation d’une structure auto-raidie en matériau composite à partir d’un stratifié, tel que défini ci-dessus. Un tel équipement comporte une contre-forme dans laquelle sont découpés les canaux d’injection de résine en liaison avec des entrées d’injection des canaux en résine, la contre-forme étant recouverte d’une enveloppe étanche de mise sous condition de pression et la configuration de peau sur laquelle repose la contre-forme est en appui sur un support de moule.

[0021] Selon des modes de réalisation préférés : - l’enveloppe est constituée d’une vessie souple comportant des moyens de fermeture étanche au support de moule pour réaliser une mise sous vide, la vessie comportant une sortie connectée à des moyens de mise sous vide; - la sortie de mise sous vide est située, dans le cas d’une configuration de type rectangulaire ou multi-rectangulaire, à l’opposé des entrées d’alimentation en résine alignées dans une gaine d’alimentation, et situé de manière centralisée dans le cas d’une configuration de type circulaire; - l’enveloppe est constituée d’un moule de pression en liaison avec le moule support pour exercer une pression déterminée sur la configuration; - les canaux sont reliés à une face supérieure de la contre-forme par un orifice de liaison par lequel la résine est guidée à partir des entrées d’injection.

[0022] L’invention se rapporte aussi à une pièce monobloc formée à partir d’une structure réalisée par le procédé selon l’invention à l’aide de l’équipement défini ci-dessus. Cette pièce peut présenter, au moins partiellement, une surface de peau de courbure variable et est caractérisée par des dimensions pouvant atteindre une centaine de mètres avec des raidisseurs séparés d’une distance adaptée à la configuration à imprégner, en particulier entre 50 et 500 mm, voire plus.

PRÉSENTATION DES FIGURES

[0023] D’autres données, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description non limitée qui suit, en référence aux figures annexées qui représentent, respectivement : - la figure 1, une vue en coupe schématique d’une peau stratifiée de fibres de carbone lors de son imprégnation par une résine via une crépine drainante (déjà commentée); - les figures 2a et 2b, deux vues supérieures d’exemples de configurations de peau rectangulaire et circulaire découpées en bandes élémentaires d’infusion selon un maillage adapté, avec positionnement des canaux et des entrées d’injection de résine; - les figures 3a et 3b, des vues supérieure et latérale d’une zone élémentaire d’infusion de peau de surface plane lors de son imprégnation par une résine, mettant en évidence les fronts d’imprégnation à partir d’un canal central d’alimentation en résine; - les figures 4a à 4c, des vues en coupe d’une zone élémentaire d’infusion de raidisseurs de type « oméga », de type « en U » et de type « plein » reposant sur une peau de surface plane; - les figures 5a et 5b, des vues en coupe de portions de contre-forme intégrant, respectivement, un canal d’alimentation d’une zone élémentaire d’infusion d’une peau plane, et des canaux d’alimentation de zones élémentaires d’infusion d’un raidisseur « en U » et d’un raidisseur « oméga » séparées par une bande élémentaire d’infusion de peau plane; - la figure 6, une vue en perspective d’une antenne terrestre auto-raidie selon le procédé de l’invention, et - la figure 7, une vue en perspective d’un panneau auto-raidi de fuselage d’avion selon le procédé de l’invention.

[0024] Sur les figures, des éléments identiques ou analogues sont repérés par un même signe de référence qui renvoie au(x) passage(s) qui décrive(nt) un tel élément. Les qualificatifs « supérieur » et « inférieur » se réfèrent à la position relative d’éléments par rapport à la structure de base à laquelle ces éléments se rapportent. Les adjectifs « longitudinal », « latéral » et « transverse » se rapportent respectivement à une direction principale selon une dimension principale d’un élément, à une direction perpendiculaire à cette direction principale dans un plan principal de la structure de peau, et à une direction perpendiculaire à cette direction principale dans un plan perpendiculaire au plan principal de la structure de peau.

DESCRIPTION DÉTAILLÉE

[0025] En référence à la vue supérieure de la figure 2a, une configuration de peau stratifiée 1’ présente une face supérieure plane formant globalement un rectangle « R ». Une telle configuration peut être par exemple appliquée aux fuselages d’avion. Le rectangle « R » est ici prolongé, sur un côté C1, par une avancée A1 accolée à une autre A2 plus étendue pour s’adapter à un découpage particulier. La configuration de peau 1’ est découpée en zones élémentaires d’infusion, ici des bandes élémentaires 2 s’étendant à partir d’une gaine d’alimentation en résine 3, via des canaux d’injection 4. Avantageusement, pour réaliser une imprégnation de résine quasiment simultanée sur toute la configuration, la gaine 3 s’étend linéairement et est agencée sur un côté C2 du rectangle « R » adjacent au côté C1.

[0026] Dans cet exemple simplifié, la configuration T présente une épaisseur sensiblement constante et des nappes de fibres réparties de manière uniforme selon une densité en fibres sensiblement identique dans toute l’étendue de la configuration 1’, la perméabilité du stratifié est constante dans chacune des trois directions de base (encore appelé « perméabilité trois axes »), la direction D1 selon la gaine d’alimentation 3, la direction D2 perpendiculairement à cette gaine dans le plan du rectangle « R » et selon l’épaisseur constante de la peau 1 (direction Dj sur la figure 1), ou encore selon les directions Dl, De, Dj (cf. figure 3a).

[0027] La constance des perméabilités peut être vérifiée par des mesures test d’imprégnation de résine dans différents secteurs de la configuration 1’ ou par modélisation de cette configuration 1’ couplée à une simulation d’injection et d’imprégnation de résine dans ces différents secteurs de la partie rectangulaire « R » ou des avancées A1 et A2 de cette configuration. Une telle méthode de modélisation/simulation est conduite dans une unité numérique pilotée par un traitement de données. Cette méthode permet de fournir des informations sur les dimensions et répartitions des zones élémentaires d’infusion, sur la position des entrées d’injection de résine ainsi que sur les quantités de résine à prévoir.

[0028] Dans l’exemple, l’uniformité des nappes de fibres, la constance de l’épaisseur de la peau et l’absence de raidisseur permet d’illustrer le procédé dans une version simplifiée. Plus généralement, les perméabilités sont élaborées selon les trois axes dans les différents secteurs, que ce soit par des mesures test ou par modélisation/simulation, à partir des données d’entrée de constitution et d’orientation des nappes de fibres, des épaisseurs de peau, et des caractéristiques géométriques et constitutives des raidisseurs, en particulier des caractéristiques de leurs interfaces de rigidification.

[0029] Des bandes élémentaires primaires 21 s’étendent parallèlement à partir des entrées d’injection de résine 30 formées dans la gaine d’alimentation 3. D’autres bandes élémentaires secondaires 22 et tertiaires 23 sont découpées dans les avancées Al et A2 ainsi que dans le rectangle « R », en s’étendant perpendiculairement aux bandes élémentaires respectivement primaires 21 et secondaires 22. Toutes les bandes élémentaires 2 ont, dans cet exemple, des largeurs 2i sensiblement identiques.

[0030] Des canaux d’injection primaires 41 sont positionnés sur les lignes médianes 51 des bandes élémentaires d’infusion primaires 21, les canaux 41 se prolongeant, le cas échéant, par connexion aux canaux secondaires 42 puis tertiaires 43 positionnés respectivement le long de lignes médianes secondaires 52 et tertiaires 53 des bandes élémentaires secondaires 22 et tertiaires 23 (les lignes médianes 51 à 53 apparaissant en traits pointillés fléchés). Plus particuliérement, le canal primaire 41a de la bande élémentaire primaire 21a, jouxtant les bandes secondaires 22, se prolonge par les canaux secondaires 42 des avancées Al et A2, l’un de ces canaux secondaires 42a se prolongeant le long des lignes médianes tertiaires 53 par les canaux tertiaires 43. De plus, un autre canal primaire 41b de la bande élémentaire primaire 21b se prolonge par connexion aux canaux secondaires 42b d’autres bandes élémentaires secondaires 22 débouchant sur le côté C3 opposé au côté Cl du rectangle « R ».

[0031] Les prolongements successifs 42a puis 43 et 42b des canaux primaires 41a et 41b forment, le long des médianes 51 à 53 correspondantes, des trajets présentant des segments linéaires successivement perpendiculaires. Ceci résulte de la forme pluri-rectangulaire de la configuration de peau 1. Pour d’autres configurations de peau plus complexes, les segments peuvent former des trajets de canaux d’injection s’articulant selon des angles non droits.

[0032] Afin d’injecter la résine dans les bandes élémentaires secondaires 22 et tertiaires 23, un seul canal primaire 41a ou 41b est utilisé pour se connecter aux canaux secondaires 42, puis un seul canal secondaire 42a est utilisé pour se connecter aux canaux tertiaires 43. Cette distribution à partir d’un même canal favorise une répartition équilibrée des canaux selon les directions de perméabilité DI et D2 qui sont les directions de base de cette configuration.

[0033] Dans le cas où plusieurs directions sont identifiées pour une configuration de peau donnée, cette option de connexion sur plusieurs canaux à partir d’un même canal est privilégiée pour équilibrer la répartition des canaux selon les différentes directions. De plus, une option de regroupement est avantageusement appliquée: les canaux primaires les plus longs ou présentant les prolongements de trajet les plus longs, ici les canaux 41 a à 41 c, et donc destinés à transporter des quantités de résine plus importantes que les autres sont de préférence regroupés afin d’optimiser la répartition de la résine.

[0034] Par ailleurs, le choix entre les canaux primaires 41b et 41c pour se connecter aux canaux secondaires 42b est avantageusement guidé par la longueur totale des canaux ainsi prolongés: afin de ne pas former de canaux trop longs, au-delà d’une valeur plafond Lm déterminée en fonction de la surface de la configuration 1’, il est avantageux de sélectionner le canal - ici le canal 41b - qui, après connexion multiple avec les canaux secondaires 42b, fournit des longueurs de canaux en deçà de la valeur plafond Lm. Plus généralement, cette option de limitation des canaux en longueur intervient pour le choix de la connexion d’un canal à l’un des canaux d’ordre secondaire par rapport à ce canal.

[0035] De manière générale, lorsque l’épaisseur de la configuration n’est pas constante ou présente des parties courbes, la détermination du maillage des des zones élémentaires d’infusion, et du positionnement des canaux d’injection de résine par le choix des connexions entre ces canaux prend d’abord en compte les estimations de perméabilité avant d’appliquer les options avantageuses évoquées ci-dessus. De telles options - connexions multiples pour une répartition équilibrée des canaux selon les directions principales de la configuration, regroupement par importance des quantités de résine et limitation des longueurs des canaux -peuvent être avantageusement intégrées aux conditions limites dans le traitement des données de l’unité numérique.

[0036] La vue supérieure de la figure 2b illustre un autre exemple de configuration de peau stratifiée 1”, ici de forme globalement circulaire et non plane, de type « calotte sphérique », présentant un orifice central 101 en liaison avec un conduit de mise sous vide. Le maillage en zones élémentaires d’infusion se présente ici sous forme de couronnes élémentaires concentriques 102. Le stratifié de la configuration 1” est constitué de nappes de fibres réparties de manière uniforme selon une densité sensiblement identique, comme dans le cas de la configuration pluri-rectangulaire plane illustrée en figure 2a.

[0037] La perméabilité du stratifié est alors sensiblement constante dans les trois directions de base décrites précédemment. Les entrées d’injection de résine 103 sont alors réparties sur chaque canal circulaire 104 de façon axy-symétrique autour de l’axe Z’Z de la pièce pour homogénéiser l’imprégnation de la résine dans chaque couronne élémentaire 102. Le nombre d’entrées d’injection par canal est fonction de la perméabilité des tissus à imprégner.

[0038] Lorsque la surface n’est pas de courbure constante mais présente des courbures locales adaptées aux fonctions de la configuration, et/ou lorsque l’épaisseur de la configuration n’est pas constante, les couronnes élémentaires d’infusion peuvent présenter des largeurs variables en fonction des estimations de perméabilité dans les trois directions de base.

[0039] Dans l’exemple illustré, une fois la résine injectée dans les entrées d’injection 103, elle imprègne le stratifié radialement de l’extérieur vers l’intérieur (flèches Fr) à partir des canaux 104. L’orientation radiale résulte de la position centrale du tirage de vide en liaison avec l’orifice central 101, la dépression pilotant l’imprégnation de la résine étant réalisée à partir de cet orifice 101 formant le point d’évent.

[0040] Seule la couronne la plus éloignée de l’orifice 101 présente une portion 102e vers l’extérieur de son canal d’alimentation 104 du fait des délais de mise sous vide et d’installation de la dépression. L’imprégnation radiale de la résine s’opère alors dans la portion 102e de manière centripète (flèches Fc), de l’intérieur vers l’extérieur, à partir des canaux 104.

[0041] Afin d’illustrer l’imprégnation de résine, les vues (partielles) supérieure et latérale des figures 3a et 3b montrent un canal d’infusion 4 pendant l’imprégnation de résine 6 dans une bande élémentaire d’infusion 2 de la figure 2a. Il apparaît que lors de l’avancée (flèche V2) de la résine 6 dans le canal 4, son imprégnation partielle dans chaque bande élémentaire d’infusion 2 définit, en vue supérieure (figure 3a), deux fronts d’imprégnation F3 et F4 progressant de manière symétriquement inclinée (flèches V3 et V4) par rapport à la direction longitudinale Dl définie par le canal 4. La résine 6 vient s’insérer entre et dans les fibres 7 formées de mèches. Le front longitudinal d’avancée d’imprégnation Fl et les fronts latéraux VI selon les directions longitudinale Dl et latérale De, apparaissent sur la figure 3b. En particulier les fronts latéraux F^ viennent s’aligner sur les frontières longitudinales 2f de la bande élémentaire d’infusion 2 du fait des fronts d’imprégnation progressifs Fa (représentés en traits pointillés) formés dans les bandes élémentaires adjacentes à la bande 2.

[0042] Lorsque la configuration de peau intègre des raidisseurs, le maillage des zones élémentaires d’injection est découpé en tenant compte des interfaces de renforcement formées par ces raidisseurs. Les vues en coupe des figures 4a à 4c illustrent le positionnement de canaux d’injection, respectivement 4a à 4c, dans des zones élémentaires d’infusion 20a à 20c intégrant des raidisseurs, respectivement Ra à Rc. Le maillage de la configuration de peau à imprégner intègre les interfaces de renforcement, respectivement 8a à 8c, induites par la présence des raidisseurs Ra à Rc, comme frontières entre les zones élémentaires définies par ce maillage (cf. également figure 5b).

[0043] Sur la figure 4a, le raidisseur Ra est creux et présente en coupe une forme de nervure dite «oméga », avec une paroi supérieure plane R10 entourant deux parois R11 et R12 symétriquement inclinées par rapport à un plan de symétrie P1. Les parois inclinées R11, R12 sont prolongées, sur la peau 1 par deux semelles, respectivement R13 et R14. Le canal d’injection 4a est positionné sur la ligne médiane 5a de la paroi supérieure R10.

[0044] Sur la figure 4b, le raidisseur Rb est également creux avec, en coupe, une forme de nervure dite « en U » formée d’une paroi supérieure plane R20 montée, lors d’un estampage sous presse préalable, sur deux parois R21 et R22 perpendiculaires à l’avancée R20. Le canal d’injection 4b est positionné sur la ligne médiane 5b de la face supérieure S20 de la paroi supérieure R20 dans le plan de symétrie P2 du raidisseur Rb.

[0045] En référence à la figure 4c, le raidisseur Rc est plein et formé par deux parois en « L » R 31 et R 32 agencées sur le peau 1 et accolées dos à dos lors d’une pré-imprégnation de résine suivie d’une pré-cuisson. Le canal d’injection 4c est disposé sur la ligne médiane 5c chevauchant partiellement les bords supérieurs S30 des parois R31 et R32.

[0046] Les canaux d’injection de résine 4a à 4c, 41a à 41c, plus généralement référencés 4 (cf. figures 2a, 3a, 3b, 4a, 4b), sont découpés dans une contre-forme 9 qui vient en appui sur la configuration de peau 1, comme illustré par les vues en coupe des zones élémentaires d’infusion des figures 5a et 5b.

[0047] Sur la figure 5a, la zone élémentaire d’infusion est une bande 2 déjà illustrée par les figures 2, 3a ou 3b. La peau 1 présente une face supérieure plane 1s dépourvue de raidisseur et une épaisseur « E » constante.

[0048] Le canal 4 qui est positionné sur la ligne médiane 5 de la bande élémentaire 2 présente une section triangulaire isocèle 4T avec une ouverture de base 4V reposant sur la face 1s. La forme triangulaire est préférée car elle permet une infusion régulière et graduée de la résine 6 dans la peau 1 (cf. figure 3a). D’autres formes sont possibles: rectangulaire, semi-circulaire, semi-polygonale, semi-oblongue, etc. Avantageusement, la section 4T croît à partir des entrées d’injection de résine 30 (cf. figure 2) afin de compenser les pertes de charge de résine dans chaque canal 4.

[0049] Le sommet 4s du canal 4 est relié à la face supérieure 9s de la contre-forme 9 par une fente d’injection de résine 4f, servant d’orifice de liaison. La contre-forme 9 repose sur la face plane de peau 1s et présente une épaisseur 9e sensiblement constante dans la zone élémentaire d’infusion 2. Cette contre-forme 9 s’étend sur toute la configuration de peau 1.

[0050] Ainsi, en présence de raidisseurs, tels que les raidisseurs Ra et Rb des figures 4a et 4b, la contre-forme 9 s’adapte aux faces des parois de ces raidisseurs. La vue en coupe de la figure 5b illustre une telle contre-forme 9 reposant sur les zones élémentaires d’infusion 20a et 20b qui intègrent les raidisseurs Ra et Rb (cf. figures 4a et 4b) associés à la peau 1, les zones élémentaires 20a et 20b étant séparées par la bande élémentaire d’infusion 2 dépourvue de raidisseur (telle qu’illustrée par la figure 5a).

[0051] Les canaux d’injection 4 et les fentes correspondantes 4f sont découpés dans la contre-forme 9 au droit des lignes médianes 5a et 5b des parois supérieures RIO et R20 des raidisseurs Ra et Rb (cf. également les figures 4a et 4b), ainsi qu’au droit de la ligne médiane 5 de la bande élémentaire d’infusion 2. Les interfaces de renforcement 8a et 8b dues aux raidisseurs Ra et Rb définissent les frontières des zones élémentaires 20a, 20b, centrées sur les raidisseurs Ra et Rb et intégrées au maillage (cf. également les figures 4a et 4b).

[0052] La contre-forme 9 est recouverte de manière étanche sur toute l’étendue de la configuration de peau 1 par une vessie souple 10 qui permet une mise sous vide par une sortie située à l’opposé de la gaine d’alimentation 3 en résine (cf. figure 2a) et connectée à des moyens de mise sous vide (cf. également figure 1). La résine 6 (cf. figures 3a et 3b) est ensuite injectée en proportion des dimensions et de la perméabilité des zones élémentaires, référencées 2, 20a et 20b sur la figure 5b.

[0053] Après l’imprégnation de la résine dans les nappes de fibres de la peau 1, la pression atmosphérique est rétablie, puis la vessie 10 et la contre-forme 9 sont retirées avec les canaux 4. Une étape finale de cuisson de la résine 6 (cf. figures 3a et 3b) est opérée, par exemple à l’étuvée ou sous pression.

[0054] Des pièces monoblocs auto-raidies peuvent alors être formées à partir d’une configuration de peau obtenue par les étapes précédentes avec, au préalable pour les raidisseurs, une étape d’imprégnation de résine et un estampage sous pression. Par exemple, la figure 6 présente une vue en perspective d’une antenne terrestre auto-raidie 100 formée d’une peau présentant une courbure sensiblement sphérique IA et munie de raidisseurs circulaire Rs et radiaux Rd qui se croisent par pontage. La figure 7 illustre la vue en perspective d’un panneau auto-raidi de fuselage d’avion 200 formé d’une peau IB à courbure cylindrique et équipé de raidisseurs longitudinaux Rl et transversaux Rt croisés par pontage.

[0055] Ces pièces présentent, au moins partiellement, une peau stratifiée de courbure variable et peuvent atteindre quelques dizaines de mètres de diamètre ou de longueur, voire une centaine de mètres, et des raidisseurs tels que Rs, Rd ou Rt, Rl séparés d’une dizaine à quelques dizaines de centimètres, par exemple jusqu’à 50 centimètres ou plus.

[0056] L’invention n’est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés. Ainsi, le procédé selon l’invention peut être totalement ou partiellement automatisé. Par ailleurs, la peau stratifiée peut présenter des courbures localement variables ou gauches et les raidisseurs peuvent être de section géométrique variée: semi-circulaire, triangulaire, semi-polygonale, oblongue, etc.

Claims (18)

1. REVENDICATIONS

   1. Procédé de réalisation d’une structure auto-raidie en matériau composite par voie liquide, comportant une étape de formation d’une configuration déterminée (1’, 1”) d’une peau (1; 1A; 1B) associée à des raidisseurs (Ra à Rc; Rs, Rd; Rl, Rt) disposés sur la peau, la peau et les raidisseurs se composant d’un stratifié de nappes de fibres (7) superposées selon des directions préétablies (D1, D2; Dl), caractérisé en ce qu’il comporte également une étape d’estimation des perméabilités du stratifié (1) selon trois axes (D1, D2, Dj; Dl, De, Dj) dans des secteurs du stratifié de différentes épaisseurs (E), différentes orientations des nappes de fibres (7) et de limites formées par des interfaces de rigidification (8a; 8b) des différents raidisseurs (Ra à Rc; Rs, Rd; Rl, Rt); une étape de maillage de cette configuration (1’, 1”) en zones élémentaires d’infusion (2; 21, 22, 23; 20a; 20b; 102) découpées, en proportion des estimations de perméabilité du stratifié, selon des largeurs élémentaires sensiblement égales {2ή dans les secteurs de peau (1) sans raidisseur et des largeurs sensiblement supérieures dans les secteurs de rigidification, selon des épaisseurs (E) sensiblement égales à celle du secteur correspondant, ainsi que selon des longueurs et des orientations par segmentation adaptée à ladite configuration (T, 1”); une étape de positionnement de canaux d’injection de résine (4; 41, 41a, 41b; 42, 42a, 42b; 43; 4a, 4b, 4c; 104) dans chaque zone élémentaire (2; 21, 21a, 21b; 22, 23; 20a; 20b; 102), les canaux (4; 41, 41a, 41b; 42, 42a, 42b; 43; 4a, 4b, 4c; 104) et les zones élémentaires (2; 21, 21a, 21b; 22, 23; 20a; 20b; 102) étant recouverts de manière étanche sur toute l’étendue ladite configuration (R, Al, A2; 1”); une étape de conditionnement en pression et d’injection de résine (6) en proportion des dimensions et de la perméabilité des zones élémentaires (2; 21, 21a, 21b; 22, 23; 20a; 20b; 102) dans des entrées d’injection (30; 130) en liaison avec lesdits canaux (4; 104); puis, après l’imprégnation de résine (6) dans les nappes de fibres (7), une étape de cuisson de la résine (6) suivie d’une étape de retrait des canaux (4; 104) après rétablissement de la pression atmosphérique.
2. 2. Procédé de réalisation d’une structure auto-raidie selon la revendication 1, dans lequel l’étape d’estimation des perméabilités est conduite à partir de mesures du suivi d’imprégnation de résine (6) dans les secteurs selon trois axes (D1, D2, Dt; Dl, D^, Dj).
3. 3. Procédé de réalisation d’une structure auto-raidie selon la revendication 1, dans lequel les étapes d’estimation des perméabilités trois axes (D1, D2, Dt: Dl, D^, Dt) et de maillage de la configuration (1’, 1”) en zones élémentaires d’infusion (2; 21, 22, 23; 20a; 20b; 102) sont mises en œuvre par modélisation de la configuration et par simulation, en particulier aux conditions limites d’entrée - sortie, des injections de résine (6) dans les entrées de résine (30; 130) et d’un suivi d’imprégnation de résine.
4. 4. Procédé de réalisation d’une structure auto-raidie selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel, dans le cas d’une configuration de type rectangulaire ou multi-rectangulaire (1’), les trajets des canaux (4) sont segmentés avec une répartition équilibrée des canaux (41; 42; 43;) selon des directions principales (Dl, D2) de la configuration (1’), un regroupement des entrées d’injection de résine (30) selon les quantités de résine à injecter et une limitation des trajets des canaux (4) en longueur.
5. 5. Procédé de réalisation d’une structure auto-raidie selon la revendication précédente, dans lequel les entrées d’injection (30) sont alignées à une extrémité de canaux primaires (41 ) formant un premier segment de leur trajet.
6. 6. Procédé de réalisation d’une structure auto-raidie selon la revendication précédente, dans lequel les canaux présentent une section (4T) en évolution croissante à partir des entrées d’injection de résine (30).
7. 7. Procédé de réalisation d’une structure auto-raidie selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque nappe de fibres (7) est composée de préformes élémentaires estampées automatiquement sous presse.
8. 8. Procédé de réalisation d’une structure auto-raidie selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les raidisseurs (Ra, Rb, Rc; Rs, Rd; Rl, Rt) sont préalablement imprégnés de résine (6) et estampés sous presse.
9. 9. Procédé de réalisation d’une structure auto-raidie selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les zones élémentaires (2; 21, 22, 23; 20a; 20b) forment un réseau d’imprégnation qui est répété séquentiellement pour alimenter un stratifié qui présente une conformation répétitive.
10. 10. Procédé de réalisation d’une structure auto-raidie selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les moyens de mise en condition de pression sont des moyens de mise sous vide lors de l’étape d’injection de la résine (6).
11. 11. Procédé de réalisation d’une structure auto-raidie selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel les moyens de conditionnement de pression exercent une mise sous pression de la configuration (1’, 1”) lors de l’étape d’injection de la résine (6).
12. 12. Procédé de réalisation d’une structure auto-raidie selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’étape finale de cuisson est choisie entre une cuisson par moulage ou par étuvage.
13. 13. Equipement de mise en oeuvre du procédé de réalisation d’une structure auto-raidie selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une contre-forme (9) dans laquelle sont découpés les canaux d’injection de résine (4, 4a, 4b, 4c) en liaison avec des entrées d’injection (3; 103) des canaux en résine, la contre-forme (9) étant recouverte d’une enveloppe étanche de mise sous condition de pression et la configuration de peau (1’) sur laquelle repose la contre-forme (9) est en appui sur un support de moule (Ml).
14. 14. Equipement selon la revendication précédente, dans lequel l’enveloppe est constituée d’une vessie souple (10) comportant des moyens de fermeture étanche au support de moule (Ml) pour réaliser une mise sous vide, la vessie (10) comportant une sortie connectée à des moyens de mise sous vide.
15. 15. Equipement selon la revendication précédente, dans lequel la sortie de mise sous vide est située, dans le cas d’une configuration de type rectangulaire ou multi-rectangulaire (1’), à l’opposé des entrées d’alimentation en résine (3) alignées dans une gaine d’alimentation (3), et situé de manière centralisée (101) dans le cas d’une configuration de type circulaire (1”).
16. 16. Equipement selon la revendication 14, dans lequel l’enveloppe est constituée d’un moule de pression en liaison avec le moule support (Ml) pour exercer une pression déterminée sur la configuration (1’).
17. 17. Equipement selon l’une quelconque des revendications 14 à 16, dans lequel les canaux (4, 4a, 4b, 4c) sont reliés à une face supérieure (9s) de la contre-forme (9) par un orifice de liaison (9f) par lequel la résine (6) est guidée à partir des entrées d’injection (30; 130).
18. 18. Pièce monobloc formée à partir d’une structure réalisée par le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 12 à l’aide de l’équipement selon l’une quelconque des revendications 13 à 17, caractérisée en ce qu’elle présente, au moins partiellement, une surface de peau (IA; IB) de courbure variable et des dimensions pouvant atteindre une centaine de mètres avec des raidisseurs (Rc, Rd; Rt, Rl) séparés d’une distance adaptée à la configuration à imprégner, en particulier entre 50 et 500 mm.