FR3123586A1 - Preforme fibreuse pour la fabrication d’un carter annulaire en materiau composite pour une turbomachine - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne une préforme fibreuse (300) pour fabriquer un carter annulaire (100) en matériau composite pour une turbomachine, en particulier d’aéronef, la préforme (300) comprenant : - au moins une couche (141, 142, 143) d’une texture fibreuse (140) présentant un tissage tridimensionnel ou multicouche, et s’étendant autour d’un axe longitudinal (A) ; - au moins un voile (150, 160) comprenant un matériau thermoplastique chargé avec des nanotubes de carbone, et s’étendant autour de l’axe (A) ; et - au moins une nappe fibreuse multiaxiale (170) s’étendant autour de l’axe (A) ; caractérisée en ce que le voile (150, 160) est intercalé entre la nappe fibreuse (170) et ladite au moins une couche (141, 142, 143) de texture fibreuse. Figure abrégé : figure 2
Description
Domaine technique de l’invention
La présente invention se rapporte au domaine général de la fabrication des pièces de révolution en matériau composite renforcées présentant des caractéristiques améliorées de résistance aux impacts, telles que par exemple des carters structuraux pour une turbomachine, en particulier d’aéronef.
Arrière-plan technique
L’utilisation de matériaux composites est particulièrement avantageuse dans le domaine des turbomachines car ils permettent la diminution de la masse des composants associée à de bonnes propriétés mécaniques.
Un matériau composite classiquement utilisé comprend une préforme fibreuse densifié par une résine de polymère. La préforme peut être issue d’un tissage tridimensionnel (3D) ou peut être obtenue par drapage et superposition de plusieurs couches/plis (multicouche). La résine peut être injectée dans la préforme ou bien la préforme peut être préalablement imprégnée avec la résine (également désignée par « pré-imprégnée » ou « prepreg »).
Dans le domaine de l’aéronautique, on cherche à réduire la masse des composants des moteurs tout en maintenant à un haut niveau leurs propriétés mécaniques. Par exemple, un carter de soufflante et un carter intermédiaire dans une turbomachine sont réalisés en matériau composite. Le carter de soufflante définit le contour de la veine d'entrée d'air du moteur et à l'intérieur duquel est logé le rotor supportant les aubes de la soufflante. Ce carter de soufflante est prolongé vers l’aval par le carter intermédiaire. Le carter intermédiaire entoure le moteur de la turbomachine. Des aubes OGV (acronyme de l’expression anglaise «Outlet Guide Vane » définissant des aubes de redresseur ou d’aubes directrices de flux de sortie) fixées sur le carter intermédiaire permettent d’assurer la liaison entre les carters externes et le moteur de la turbomachine.
La fabrication du carter de soufflante ou du carter intermédiaire en matériau composite débute par la mise en place par enroulement d’une préforme fibreuse sur un mandrin dont le profil épouse celui du carter à réaliser. La fabrication se poursuit par la densification de la préforme fibreuse par une matrice en polymère qui consiste à imprégner la préforme par une résine et à polymériser cette dernière pour obtenir la pièce finale. Les carters obtenus par un tel procédé présentent de bonnes propriétés de résistance à l’endommagement grâce au tissage tridimensionnel de la texture fibreuse constituant la préforme fibreuse de la pièce.
Cependant, dans le cas d’une préforme fibreuse obtenue par enroulement d’une bande tissée 3D ou multicouche, la préforme fibreuse peut présenter une faiblesse à l’interface entre les tours d’enroulement adjacents car il n’y pas de liaison dans la direction radiale Z dans cette zone. En effet, aux interfaces entre chaque couche de la préforme, la cohésion du matériau est assurée par la résine seule, sans renfort ou structure de cohésion transversale. Ainsi, cette interface entre les tours d’enroulement peut être soumise à des endommagements de type délaminage, notamment en cas de chocs ou d’impact d’un corps étranger.
Un délaminage est par définition une décohésion de matériau composite entre les différentes couches composant la préforme fibreuse.
Un délaminage de la préforme fibreuse enroulée peut être induit notamment lors du procédé de fabrication de la pièce (par exemple, par un manque d’adhésion entre les couches de la préforme lors des opérations de consolidation ou d’usinage de la pièce) ou lorsque la pièce est soumise à des sollicitations en fonctionnement (par exemple, des sollicitations d’impact, des contraintes liées à la géométrie de la pièce, etc.). De plus, l’empilement de différentes orientations des renforts fibreux entre les différentes couches de la préforme peut défavoriser la résistance au délaminage.
Par ailleurs, lorsqu’on souhaite améliorer les propriétés mécaniques d’un tel carter, il faut généralement augmenter l’épaisseur des couches de la texture fibreuse obtenue par tissage tridimensionnel ou multicouche et donc la masse du carter.
Il existe, par conséquent, un besoin pour renforcer la résistance au délaminage des carters en matériau composite pour une turbomachine, tout en conservant une masse réduite.
La présente invention propose une solution simple, efficace et économique aux inconvénients précités de l’art antérieur.
A cet effet, l’invention propose une préforme fibreuse pour fabriquer un carter annulaire en matériau composite pour une turbomachine, en particulier d’aéronef, la préforme comprenant :
- au moins une couche d’une texture fibreuse présentant un tissage tridimensionnel ou multicouche, et s’étendant autour d’un axe longitudinal A ;
- au moins un voile comprenant un matériau thermoplastique chargé avec des nanotubes de carbone, et s’étendant autour de l’axe A ; et
- au moins une nappe fibreuse multiaxiale s’étendant autour de l’axe A.
- au moins une couche d’une texture fibreuse présentant un tissage tridimensionnel ou multicouche, et s’étendant autour d’un axe longitudinal A ;
- au moins un voile comprenant un matériau thermoplastique chargé avec des nanotubes de carbone, et s’étendant autour de l’axe A ; et
- au moins une nappe fibreuse multiaxiale s’étendant autour de l’axe A.
Selon l’invention, le voile est intercalé entre la nappe fibreuse et ladite au moins une couche de texture fibreuse.
La préforme selon l’invention permet d’augmenter de manière générale la tenue mécanique du carter en matériau composite. Le carter, intégrant une telle préforme fibreuse en tant que renfort fibreux, permet de résister notamment aux contraintes dans des directions différentes de celles selon lesquelles s’étendent les fils ou torons constituant les couches de textile.
De plus, en choisissant une nappe multiaxiale adaptée, les propriétés mécaniques du carter selon des directions de contraintes prédéfinies sont renforcées, notamment dans les directions d’orientation des fibres unidirectionnelles de la nappe fibreuse multiaxiale. Ainsi, la préforme fibreuse selon l’invention permet de conserver les avantages en terme de tenue mécanique des couches de textile obtenues par tissage 3D, tout en les renforçant dans des directions choisies, sans augmenter significativement la masse de l’ensemble. Une nappe fibreuse multiaxiale peut en effet être plus légère qu’une couche de textile obtenue par tissage 3D pour un gain en raideur équivalent.
Par ailleurs, en interposant un voile en matériau thermoplastique chargé de nanotubes de carbone entre l’interface de la couche de texture fibreuse et de la nappe fibreuse multiaxiale, la liaison à cette interface est renforcée sans recourir à une couture ou un aiguilletage par exemple. En effet, à l’issue de la fabrication du carter en matériau composite, des nanotubes de carbone sont présents aux interfaces entre les tours d’enroulement des différentes couches composant le matériau en composite du carter, ce qui renforce la résistance au délaminage de la préforme dans ces zones.
Dans la présente demande, on entend par tissage, tissu, ou tissé, un enchevêtrement de fils, en particulier de trame et de chaine, selon un motif particulier. Le tissage peut être réalisé dans un plan et donc en deux dimensions, ou peut former un volume et être donc défini selon trois dimensions.
Un « tissage tridimensionnel » ou « tissage 3D » est un mode de tissage par lequel certains au moins des fils de chaine lient des fils de trame sur plusieurs couches de trame. Une inversion des rôles entre fils de chaîne et de trame est possible dans la présente demande.
Une nappe multiaxiale (NCF, « Non Crimp Fabric ») est une étoffe textile qui présente généralement plusieurs couches de fibres unidirectionnelles non tissées orientées dans des directions différentes liées par un fil fin de tricotage.
Le voile de nanotubes de carbone correspond à une couche d’un matériau fugace, c’est-à-dire qui peut être éliminé en cours de fabrication, chargé avec les nanotubes de carbone. Par l’exemple, le matériau fugace correspond à un voile de matériau thermoplastique.
Un « enroulement » ou un « tour d’enroulement » est défini comme un tour complet (notamment de 360°) de chacune des couches composant la préforme fibreuse autour de l’axe longitudinal A. L’axe A correspond à l’axe longitudinal autour duquel s’étend le carter de la turbomachine, à réaliser.
La préforme selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres :
- la préforme comprend au moins une première et une seconde couche de texture fibreuse, et entre lesquelles sont disposés les voiles et la nappe fibreuse ;
- la préforme comprend un premier et un second voile, dans laquelle le premier voile est intercalé entre la nappe fibreuse et la première couche de texture fibreuse, et le second voile est intercalé entre ladite nappe fibreuse et la seconde couche de texture fibreuse.
- le matériau thermoplastique du voile présente une température de fusion comprise entre 85°C et 150°C, de préférence entre 100 et 110°C ;
- le matériau thermoplastique du voile comprend des fibres thermoplastiques non tissées;
- le voile de fibres thermoplastiques présente une masse surfacique comprise entre 15 g/m² et 100 g/m²;
- les nanotubes de carbone sont des nanotubes de carbone multi-feuillets ayant de préférence un diamètre de 10 nm et une longueur de 2 µm.
- les nanotubes de carbone sont des nanotubes de carbone simple-feuillet ayant de préférence un diamètre de 2 nm et une longueur de 5 µm.
L’invention concerne également un procédé de fabrication d’un carter annulaire en matériau composite pour une turbomachine, en particuliers d’aéronef, comprenant les étapes consistant à :
(a) réaliser par tissage tridimensionnel ou multicouche au moins une couche d’une texture fibreuse,
(b) fournir au moins un voile comprenant un matériau thermoplastique chargé avec des nanotubes de carbone,
(c) fournir au moins une nappe fibreuse multiaxiale,
(d) enrouler simultanément ladite au moins une couche de texture fibreuse, ledit au moins un voile et ladite au moins une nappe fibreuse, autour d’un axe longitudinal A sur un mandrin de profil correspondant à celui du carter à fabriquer, le voile étant interposé entre la nappe fibreuse et ladite au moins une couche de texture fibreuse de manière à former une préforme fibreuse selon l’une des particularités de l’invention,
(e) densifier la préforme fibreuse par une matrice pour former le matériau composite de la pièce.
(a) réaliser par tissage tridimensionnel ou multicouche au moins une couche d’une texture fibreuse,
(b) fournir au moins un voile comprenant un matériau thermoplastique chargé avec des nanotubes de carbone,
(c) fournir au moins une nappe fibreuse multiaxiale,
(d) enrouler simultanément ladite au moins une couche de texture fibreuse, ledit au moins un voile et ladite au moins une nappe fibreuse, autour d’un axe longitudinal A sur un mandrin de profil correspondant à celui du carter à fabriquer, le voile étant interposé entre la nappe fibreuse et ladite au moins une couche de texture fibreuse de manière à former une préforme fibreuse selon l’une des particularités de l’invention,
(e) densifier la préforme fibreuse par une matrice pour former le matériau composite de la pièce.
Le procédé de fabrication selon l’invention présente l’avantage de réaliser un enroulement, de manière simultanée et sur plusieurs tours, de chaque couche de texture fibreuse, de la nappe fibreuse et de chaque voile comprenant un matériau thermoplastique chargé avec des nanotubes de carbone. Ceci permet de réaliser un carter avec une préforme fibreuse comprenant des nanotubes de carbone disposés à chacune des interfaces de liaison entre la nappe fibreuse et chaque couche de texture fibreuse. De cette façon, la résistance au délaminage de la préforme fibreuse est renforcée.
Avantageusement, l’étape (e) de densification de la préforme fibreuse comprend l’imprégnation de la préforme avec une résine et la transformation de la résine en matrice par traitement thermique.
Chaque voile peut présenter une température de fusion inférieure à la température de consolidation de la résine.
De préférence, l’étape (b) comprend une sous étape (b1) de mélange d’un polymère thermoplastique et de poudre de nanotubes de carbone.
Le polymère thermoplastique peut présenter une température de fusion comprise entre 55°C et 150°C, de préférence entre 100 et 110°C.
Le polymère thermoplastique peut être un copolymère à base de polycaprolactame et de polyhexaméthylène adipamide.
Le mélange de polymère thermoplastique et de poudre de nanotubes de carbone à l’étape (b1) peut être chargé entre 1% et 10%, de préférence entre 3% et 4%, en masse de poudre de nanotubes de carbone.
L’étape (b) peut comprendre en outre :
- une sous-étape (b2) d’extrusion dudit mélange résultant de ladite sous-étape (b1) de mélange au travers d’une filière dimensionnée pour obtenir des filaments de polymère thermoplastique chargés en nanotubes présentant un diamètre compris entre 30 et 70 micromètres ;
- une sous-étape (b3) de fusion et de soufflage desdits filaments de polymère thermoplastique chargés en nanotubes.
- une sous-étape (b2) d’extrusion dudit mélange résultant de ladite sous-étape (b1) de mélange au travers d’une filière dimensionnée pour obtenir des filaments de polymère thermoplastique chargés en nanotubes présentant un diamètre compris entre 30 et 70 micromètres ;
- une sous-étape (b3) de fusion et de soufflage desdits filaments de polymère thermoplastique chargés en nanotubes.
La présente invention concerne également un carter annulaire en matériau composite pour une turbomachine, en particulier d’aéronef, mise en œuvre par le procédé de fabrication selon l’une des particularités de l’invention.
Le carter de l’invention présente à la fois une masse globale allégée et une résistance mécanique renforcée (tel que par exemple, aux endommagements de type délaminage), par la présence de nanotubes de carbone et de la nappe fibreuse multiaxiale à l’interface entre la nappe fibreuse et chaque couche de texture fibreuse. Ainsi, la résistance du carter est renforcée vis-à-vis des chocs ou impacts, tout en optimisant sa rigidité vis-à-vis de sa masse.
La carter peut être un carter de soufflante ou un carter intermédiaire de la turbomachine.
La présente invention concerne également une turbomachine, en particulier d’aéronef, comportant un carter annulaire en matériau composite selon l’invention.
La turbomachine peut être un turboréacteur ou un turbopropulseur d’aéronef.
Brève description des figures
L’invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante faite à titre d’exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels :
Claims (10)
- Préforme fibreuse (300) pour fabriquer un carter annulaire (100) en matériau composite pour une turbomachine, en particulier d’aéronef, la préforme (300) comprenant :
- au moins une couche (141, 142, 143) d’une texture fibreuse (140) présentant un tissage tridimensionnel ou multicouche, et s’étendant autour d’un axe longitudinal (A) ;
- au moins un voile (150, 160) comprenant un matériau thermoplastique chargé avec des nanotubes de carbone, et s’étendant autour de l’axe (A) ; et
- au moins une nappe fibreuse multiaxiale (170) s’étendant autour de l’axe (A) ;
caractérisée en ce que le voile (150, 160) est intercalé entre la nappe fibreuse (170) et ladite au moins une couche (141, 142, 143) de texture fibreuse. - Préforme selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une première et une seconde couches (141, 142) de texture fibreuse (140), et entre lesquelles sont disposés les voiles (150, 160) et la nappe fibreuse (170).
- Préforme selon la revendication 2, caractérisée en ce qu’elle comprend un premier (150) et un second (160) voiles, dans laquelle le premier voile (150) est intercalé entre la nappe fibreuse (170) et la première (141) couche de texture fibreuse, et le second voile (160) est intercalé entre ladite nappe fibreuse (170) et la seconde (142) couche de texture fibreuse.
- Préforme selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le matériau thermoplastique du voile (150, 160) présente une température de fusion comprise entre 85°C et 150°C, de préférence entre 100 et 110°C.
- Préforme selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les nanotubes de carbone sont des nanotubes de carbone multi-feuillets ayant de préférence un diamètre de 10 nm et une longueur de 2 µm.
- Préforme selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les nanotubes de carbone sont des nanotubes de carbone simple-feuillet ayant de préférence un diamètre de 2 nm et une longueur de 5 µm.
- Procédé de fabrication d’un carter annulaire (100) en matériau composite pour une turbomachine, en particuliers d’aéronef, comprenant les étapes consistant à :
(a) réaliser par tissage tridimensionnel ou multicouche au moins une couche (141, 142, 143) d’une texture fibreuse (140),
(b) fournir au moins un voile (150, 160) comprenant un matériau thermoplastique chargé avec des nanotubes de carbone,
(c) fournir au moins une nappe fibreuse multiaxiale (170),
(d) enrouler simultanément ladite au moins une couche (141, 142, 143) de texture fibreuse, ledit au moins un voile (150, 160) et ladite au moins une nappe fibreuse (170), autour d’un axe longitudinal (A) sur un mandrin (200) de profil correspondant à celui du carter (100) à fabriquer, ledit au moins un voile (150, 160) étant interposé entre la nappe fibreuse (170) et ladite au moins une couche (141, 142, 143) de texture fibreuse de manière à former une préforme fibreuse (300) selon l’une des revendications précédentes,
(e) densifier la préforme fibreuse (300) par une matrice pour former le matériau composite de la pièce (100). - Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l’étape (e) de densification de la préforme fibreuse (300) comprend l’imprégnation de la préforme (300) avec une résine et la transformation de la résine en matrice par traitement thermique, et dans lequel le voile (150, 160) présente une température de fusion inférieure à la température de traitement de la résine.
- Procédé selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que l’étape (b) comprend une sous étape (b1) de mélange d’un polymère thermoplastique (151) et de poudre de nanotubes de carbone (156), dans lequel le polymère thermoplastique (151) présente une température de fusion comprise entre 85°C et 150°C, de préférence entre 100 et 110°C.
- Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le mélange de polymère thermoplastique (151) et de poudre de nanotubes de carbone (156) à l’étape (b1) peut être chargé entre 1% et 10%, de préférence entre 3% et 4%, en masse de poudre de nanotubes de carbone (156).
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| WO2022258917A1 (fr) | 2022-12-15 |
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| Date | Code | Title | Description |
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