FR2661128A1 - Procede et dispositif pour consolider un corps en materiau composite. - Google Patents
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Abstract
On consolide un corps courbe en matériau composite (22) en plaçant un premier outil rigide (47) sur le côté convexe du corps, et une membrane de compression (52) sur l'autre côté. Dans une autre zone où le signe de la courbure change de sorte que l'autre côté devient le côté concave, on place l'outil sur ce côté, contre le côté concave, et la membrane est mise en contact avec le côté convexe. L'outil rigide est donc placé de part et d'autre dans les diverses zones du corps, assurant une consolidation précise pour satisfaire les spécifications structurelles et dimensionnelles. La consolidation s'effectue en appliquant une pression au corps du matériau composite par l'intermédiaire des membranes de compression. Application à la fabrication des matériaux composites.
Description
La présente invention concerne la fabrication de
matériaux composites et, plus particulièrement, la consoli-
dation de pièces courbes constituées de tels matériaux.
Les matériaux composites sont des matériaux hybrides formés en enrobant des fibres de renforcement, des barbes ou des particules dans une matrice qui supporte et protège le matériau de renforcement Il existe divers matériaux de renforcement, et les fibres de carbone, de graphite, de verre et du matériau dit Kevlar font plus particulièrement l'objet d'une large utilisation dans les applications aérospatiales et autres On ne dispose pas de matrices tant métalliques que non métalliques, et on utilise largement des composés non métalliques tels que les époxy et les polyimides pour les applications dans lesquelles la pièce n'est pas exposée à des
températures élevées Ainsi, par exemple, un matériau compo-
site pourrait être constitué de 60 % en volume de fibres de
graphite dans une matrice en époxy durcissable.
Dans une approche commune à la préparation des matériaux de ce type, le constructeur du matériau composite prépare une feuille dite "préimprégnée", qui est une matrice partiellement durcie dans laquelle est enrobée la quantité appropriée du matériau de renforcement Le matériau de renforcement se présente en général sous la forme d'un réseau
unidirectionnel ou d'un tissu multidirectionnel, entrelacé.
La feuille préimprégnée se présente sous des formes standard, 2 - par exemple sous la forme d'une bande de O,lrm d'épaisseur et de 15 cm de largeur ayant un endossage qui en permet la manipulation, ou d'un tissu d'une épaisseur de 0,3 mm La feuille préimprégnée est fournie au fabricant de pièces, lequel entasse alors un certain nombre de nappes de la feuille préimprégnées en leur conférant les formes et épaisseurs appropriées La feuille préimprégnée constitue la matière brute qui est utilisée par le fabricant de pièces
pour construire la pièce en couches.
A l'issue de la disposition en pile des bandes de la feuille imprégnée ou des morceaux de tissu, les couches empilées doivent être consolidées de manière à éliminer la porosité et les vides qui sont inévitablement provoqués par le processus d'empilage, et à compléter le durcissement de la matrice La consolidation s'effectue normalement à une température élevée et avec l'application d'une pression extérieure à la pièce, de sorte qu'on élimine la porosité et
ferme les vides avant le durcissement de la matrice.
Dans le cas o la pièce est, par exemple, une feuille plate, on place un morceau d'outil rigide contre un côté de la feuille et une membrane de compression flexible, telle qu'un sac sous vide en polyimide imperméable aux gaz, à haute température, contre l'autre côté On applique soit une pression à l'intérieur de la membrane, au moyen de la pression positive d'un fluide (liquide ou gaz), par exemple une pression d'environ 1,4 M Pa, soit un vide à l'espace séparant la membrane et le matériau composite, de sorte que la pression atmosphérique externe fournit la pression de consolidation Souvent, on utilise ensemble une pression positive et une consolidation sous vide pour obtenir les
résultats les meilleurs.
Ces techniques actuelles donnent de bons résultats lorsque la pièce ou le corps est plat ou présente une courbure simple Cependant, on a observé que, lorsqu'on fabrique des corps ayant une courbure complexe en faisant appel à ce type de consolidation, il peut y avoir des irrégularités telles que des ponts et des plis sur la surface concave de la pièce composite, qui peuvent conduire à une diminution de la résistance mécanique et provoquer une défaillance prématurée du matériau composite dans cette zone. Il existe un besoin pour une meilleure approche de la
consolidation de matériaux composites en feuilles préimpré-
gnées pour en faire des corps durcis, en particulier dans le cas o les corps présentent des courbures complexes La présente invention répond à ce besoin, et offre d'autres
avantages connexes.
La présente invention propose un procédé et un dispositif pour consolider des corps ou des pièces composites aux courbures complexes, ou qui pour d'autres raisons ont tendance à former des irrégularités pendant les opérations de consolidation et de durcissement La solution proposée par la présente invention est en harmonie avec la technologie existante, en ce sens qu'elle implique un outillage rigide, des membranes de compression, et l'application d'une pression aux membranes pour effectuer la consolidation du corps du matériau composite Cependant, l'outillage et la membrane de compression sont disposés d'une manière nouvelle afin de réduire au minimum l'introduction de défauts dans le corps du
matériau composite.
Selon la présente invention, un procédé pour consoli-
der le corps d'un matériau composite ayant une forme non plate comprend les étapes consistant à: fournir un corps de matériau composite ayant une structure constituée de nappes non consolidées de fibres de renforcement enrobées dans une matrice, le corps du matériau composite présentant un premier côté et un second côté opposé, la forme du corps étant ayant une courbure complexe de sorte que dans une première zone, le premier côté du matériau composite forme une face concave de la courbe et dans une seconde zone, le second côté du matériau composite forme la face concave de la courbe; -4- placer un premier outil rigide en contact avec le premier côté du matériau composite dans la première zone; placer un second outil rigide en contact avec le second côté du matériau composite dans la seconde zone; placer une première membrane de compression pour consolidation contre le second côté du matériau composite dans la première zone; placer une seconde membrane de compression pour consolidation contre le premier côté du matériau composite dans la seconde zone; et appliquer une pression à la première membrane et à la seconde
membrane, d'o l'application d'une pression au corps compo-
site pour en provoquer la consolidation.
Dans la solution classique de la technique antérieure, l'outil rigide est placé sur un côté du corps du matériau composite non consolidé et une membrane de compression sur
l'autre côté, quelle que soit la forme particulière du corps.
Si le corps est plat ou simplement incurvé avec l'outil sur le côté concave de la courbe, le procédé fonctionne bien car le matériau composite est comprimé dans l'outil par la pression due à la membrane de compression La présence de l'outil rigide impose la forme et les dimensions de la surface en contact avec l'outil, et l'outil empêche la formation de défauts dans les nappes superficielles du corps
du matériau composite.
D'autre part, si la pièce a une courbure complexe, ce qui signifie ici que la surface concave du corps composite est parfois sur un premier côté du matériau composite et parfois sur le second, le placement de l'outil rigide sur
seulement un côté se traduit par une qualité irrégulière.
Dans les zones o le côté concave du corps composite se trouve contre l'outil rigide, la qualité de cette zone sera normalement acceptable Cependant, pour les zones dans lesquelles la face concave du corps composite se trouve sur le côté opposé à l'outil rigide (c'est-à-dire que la face convexe du corps composite est située sur le côté en contact avec l'outil rigide), la face concave est en contact avec la -5 - membrane flexible de compression et n'est supportée que par elle, ce qui ordinairement est insuffisant pour éviter l'apparition de défauts, en particulier aux angles serrés
ayant un petit rayon de courbure.
Dans la présente solution, l'outil rigide est placé sur le côté o sa présence est nécessaire pour maintenir
correctement le corps et empêcher l'introduction de défauts.
Pour une pièce ayant une courbure complexe, l'outil est placé sur le côté concave du corps composite, quel que puisse être
le côté dans ce cas particulier Il en résulte que l'outil-
lage est plus complexe, mais la probabilité de production d'une pièce ayant partout une bonne qualité est sensiblement accrue Ainsi, on peut obtenir des corps ou des pièces en
matériau composite de forme complexe.
D'une façon plus générale, mais toujours selon la présente invention, un procédé pour consolider un corps en matériau composite comprend les étapes consistant à: fournir
un corps d'un matériau composite ayant une structure consti-
tuée de nappes non consolidées de fibres de renforcement enrobant dans une matrice, le corps présentant un premier côté et un second côté opposé; placer un premier outil rigide contre le premier côté du matériau composite dans une première zone; placer un second outil rigide contre le second côté du matériau composite dans une seconde zone;
placer une première membrane de compression pour consolida-
tion contre le second côté du matériau composite dans la première zone; placer une seconde membrane de compression pour consolidation contre le premier côté du matériau composite dans la seconde zone; et appliquer une pression à la première membrane de compression et à la seconde membrane de compression, d'o l'application d'une pression en matériau
composite pour en provoquer la consolidation.
Avant la consolidation, le corps non consolidé en matériau composite constitué de plusieurs nappes doit tout d'abord être l'objet d'une opération de suppression du 6 - bouffant afin de le consolider partiellement Cette opération est normalement exécutée à la température ambiante, de sorte que la matrice du matériau composite ne durcit plus Elle est conduite dans une ou plusieurs étapes, le processus à plusieurs étapes concernant le cas o il est souhaitable d'entasser un certain nombre de nappes, d'en supprimer le
bouffant, d'entasser davantage d'autres nappes, d'en suppri-
mer le bouffant, etc La présente solution permet de supprimer le bouffant, en une ou plusieurs étapes, qu'on fait suivre de la consolidation finale Selon cet aspect de l'invention, un procédé pour consolider le corps d'un matériau composite comprend les étapes consistant à fournir un corps d'un matériau composite ayant une structure constituée de nappes non consolidées d'une matrice dans laquelle sont enrobées des fibres de renforcement, le corps présentant un premier côté et un second côté opposé; supprimer le bouffant du corps par les étapes consistant à placer un premier outil rigide de suppression de bouffant contre le premier côté du corps du matériau composite dans une première zone de celui-ci, à placer un second outil riaide de suppression de bouffant contre le premier coté du corps du matériau composite dans une seconde zone de celui-ci, à placer une membrane continue de compression pour suppression du bouffant contre le second côté du corps du matériau composite dans ses première et seconde zones de sorte qu'une pression peut être appliquée de manière uniforme à la totalité du second côté, et à appliquer une pression à la membrane de compression pour que le corps du matériau composite soit au moins consolidé en partie, et à enlever la membrane de compression du second côté du corps et le second outil du premier côté du corps dans sa seconde zone; à placer un troisième outil rigide de suppression du bouffant contre le second côté du corps du matériau composite dans sa seconde zone; placer une première membrane de compression pour consolidation contre le second côté du corps -7 - du matériau composite seulement dans sa première région; placer une seconde membrane de compression pour consolidation contre le premier côté du corps du matériau composite seulement dans sa seconde zone; et appliquer une pression à la premiere membrane de compression pour consolidation et à la seconde membrane de compression pour consolidation afin que le corps du matériau composite se consolide encore, tout
en le chauffant simultanément.
La présente invention s'étend aussi au dispositif, comprenant l'agencement de l'outil et de la membrane de compression, qu'on emploie pour consolider le matériau composite afin d'obtenir des articles Selon cet aspect de la présente invention, on prévoit un dispositif pour consolider le corps d'un matériau composite non consolidé, le corps présentant un premier côté et un second côté opposé, qui comprend un premier outil rigide façonné de manière à se monter contre le premier côté da corps composite dans une première zone; un second outil rigide fagonné de façon a se monter contre le second côté du corps composite dans une seconds zone; une première membrane de compression pour consolidation disposée de manière à être en contact avec le second côté du corps composite dans la première zone; une seconde membrane de compression pour consolidation disposée de manière à être en contact avec le premier côté du corps composite dans la seconde zone; et un moyen pour appliquer
une pression aux première et seconde membranes.
Une variante de ce dispositif comporte un outillage pour effectuer la suppression du bouffant, qui est enlevé et remplacé par l'outil de consolidation après cette opération de suppression Cet outil rigide pour la suppression du bouffant peut également être utilisé pour exécuter les opérations de consolidation, le cas échéant, ou bien on peut utiliser un outil da consolidation séparé Selon cet aspect de la présente invention, un dispositif pour consolider un matériau composite présentant un premier côté et un second 8 - côté comprend un premier outil rigide pour supprimer le bouffant, façonné de manière à se monter contre le premier côté du corps du matériau composite dans une première zone de celui-ci; un second outil rigide pour supprimer le bouffant, façonné de manière à se monter contre le premier côté du
corps du matériau composite dans une seconde zone de celui-
ci;une membrane de compression pour suppression de bouffant dimensionnée pour se monter contre le second côté du corps du matériau composite dans ses première et seconde zones; un troisième outil rigide façonné de manière à se monter contre le second côté du corps du matériau composite dans sa seconde
zone; une première membrane de compression pour consolida-
tion dimensionnée de manière à se monter contre le second côté du corps du matériau composite dans sa première zone; et une seconde membranes de compression pour consolidation dimensionnée de manière à se monter contre le premier côté du
corps du matériau composite dans sa seconde zone.
On a désigné par outillage "à renvoi" le présent agencement de l'outillage de consolidation, car l'outil rigide est situé sur un côté du corps dans certaines zones, et sur l'autre côté dans d'autres zones On doit veiller à ce que la force de consolidation soit appliquée uniformément dans toutes les surfaces et zones du corps composite Sinon, il pourrait y avoir des zones non consolidées contenant des vides et autres défauts à l'origine d'une défaillance du
corps ou de la pièce pendant son service.
La présente invention apporte une solution à la consolidation de corps composites, se traduisant par des structures finales améliorées, par rapport aux solutions de la technique antérieure L'outillage nécessaire est plus complexe, mais il se construit normalement facilement pour
les formes dont on a généralement besoin.
La suite de la description se réfère aux figures
annexées qui représentent respectivement: figure 1, une vue en perspective d'un corps composite -9- sous forme de cylindre avec des brides aux extrémités; figure 2, une vue en coupe de côté de plusieurs nappes de matériau composite empilées; figure 3, une vue de côté d'un outil classique pour consolider le corps composite de la figure 1; figure 4, une vue à grande échelle d'un détail de la figure 3, représentant la structure des nappes à proximité d'un angle à la suite d'une consolidation effectuée en utilisant la solution de la technique antérieure;
figure 5, une vue semblable à la figure 4, représen-
tant un autre type de défaut pouvant se produire à un angle; figure 6, une vue semblable à celle de la figure 4, sauf qu'elle représente la structure désirée à proximité de
l'angle; -
figure 7, une vue schématique d'une surface ayant une courbure complexe d'un corps composite, comme nomenclature; figure 8, une vue en coupe de côté du dispositif représentant l'entassement du matériau composite avant la consolidation; figure 9, une vue en coupe de côté du dispositif pour consolider le cylindre composite de la figure 1, en utilisant l'outillage placé de part et d'autre, et figure 10, une vue en coupe de côté d'une autre pièce
qu'on peut préparer avec la solution de la présente inven-
tion.
La figure 1 représente une pièce 20 à titre d'illus-
tration, devant être constituée d'un matériau composite La pièce 20 comprend un corps cylindrique creux 22 et une bride épaisse 24 à chaque extrémité, et peut être réunie, bout à bout, avec des pièces similaires pour former une conduite On a choisi le corps 20 pour illustrer la solution de la présente invention, car il présente une courbure complexe qu'on ne peut fabriquer facilement sans pailles en utilisant
les solutions de la technique antérieure.
Le corps 22 et les deux brides 24 doivent former un - corps en une pièce à partir de nappes individuelles de
matériaux composites, comme cela est représenté en figure 2.
Un corps 26 en matériau composite est obtenu en empilant des nappes individuelles 28 d'un matériau en feuille préimprégnée les unes sur les autres Dans une situation typique qu'on rencontre dans la fabrication d'un tel corps 26, chaque nappe 28 est constituée d'une matrice d'un polymère partiellement durci tel qu'un polyimide ou une époxy, dans laquelle le pourcentage requis d'une fibre de renforcement tel que des filaments de carbone est enrobé Les fibres de renforcement
peuvent être disposées essentiellement d'une façon unidirec-
tionnelle, et dans ce cas la feuille préimprégnée est fournie sous forme d'une bande généralement d'une épaisseur de 0,1 mm et d'une largeur de 15 cm Au contraire, les fibres de renforcement peuvent être tissées et multidirectionnelles, et dans ce cas la feuille préimprégnée est fournie dans le commerce sous forme d'un textile tissé ayant généralement une épaisseur de 0,3 mm après consolidation et durcissement Dans tous les cas, la matrice de la feuille préimprégnée n'est pas
durcie ou ne l'est que légèrement.
Des corps plus gros sont progressivement obtenus en empilant les nappes individuelles des bandes ou du textile tissé les unes sur les autres jusqu'à ce qu'on atteigne l'épaisseur désirée Dans l'illustration de la figure 2, quatre nappes 28 de matériau ont été empilées, mais le
procédé s'étend souvent jusqu'à l'empilage de dix nappes.
Comme cela est représenté schématiquement en figure 2, il y a des vides 30 entre les nappes empilées, car les nappes 28 ne sont pas parfaitement planes à leur sortie de
fabrication De plus, il peut y avoir des vides microsco-
piques à l'intérieur de chaque nappe 28, qui sont visibles au microscope mais ne le sont pas dans la vue macroscopique de la figure 2 Tous les vides doivent être virtuellement éliminés de façon à ne pas être présents dans la structure finale, et le processus de consolidation ferme idéalement les
1 il -
vides tant macroscopiques que microscopiques, tout en complé-
tant le durcissement du matériau de la matrice de la nappe.
Le résultat est un corps composite solide qui présente une résistance mécanique élevée pour son poids, et constitue par conséquent un bon candidat pour être employé dans les avions
et autres types de structures.
La figure 3 représente une solution classique de la technique antérieure pour la consolidation du matériau
composite afin de former le cylindre à brides de la figure 1.
Les nappes individuelles 28 sont entassées contre un outil cylindrique en acier 32 (vu en coupe dans la figure 3) qui définit la paroi intérieure 34 du corps 22, ainsi que chaque
bride 24 et face de bride 36.
Un sac sous vide 38 est placé de manière étanche sur la surface opposée des nappes 28 du matériau composite, c'est-à-dire sur la surface qui n'est pas en contact avec l'outil 32 Une pression est appliquée à la surface des nappes 28, en créant un vide par l'orifice 40 qui communique avec l'espace situé entre l'outil 32 et le sac 38 Une
pression atmosphérique d'environ 0,09-0,1 M Pa est par consé-
quent appliquée de façon uniforme sur la surface extérieure du sac 38 et par conséquent aux nappes 28 L'ensemble de l'outillage et les nappes empilées sont placés dans un autoclave pressurisé et sont chauffés, ce qui permet au matériau de la matrice à l'intérieur des nappes de s'écouler de sorte que les vides 30 sont progressivement réduits en dimensions et fermés La mise sous vide est normalement effectuée avant le chauffage, de sorte que les vides sont fermés avant que le polymère de la matrice ne puisse durcir, d'o la suspension de la fermeture des vides En utilisant
cette solution, on ferme les vides et durcit la matrice.
Cependant, cette solution de la technique antérieure se traduit par l'introduction de défauts provoqués par la consolidation aux angles qui forment une transition entre le corps cylindrique 22 et la bride 24, comme cela est 12 - représenté en figure 4 et en figure 5 Les défauts 42 de la figure 4 sont essentiellement des plis dans la surface des nappes du matériau composite se trouvant sur la face concave du corps 26 à l'angle o se produit la transition entre le corps cylindrique 22 et la bride 24 Les plis sont dus au fait que le sac sous vide 38 n'est pas suffisamment rigide pour retenir les nappes alors que les parties vides sont
écrasées et que l'épaisseur du corps 26 est réduite.
Un autre type de défaut 43, représenté en figure 5, est appelé "pontage" Celui-ci se produit car, meme au cours de la consolidation, chaque nappe a une longueur qui est constante Comme une nappe de longueur constante, dont les extrémités sont fixées par l'outil, est entraînée dans l'angle, elle n'a pas une longueur suffisante et ne peut s'étendre pour épouser la forme de l'angle Le résultat est la formation d'un vide dans l'angle Les défauts 42 et 43 des figures 4 et 5, respectivement, sont hautement indésirables car ils affaiblissent le corps 26 du matériau composite à l'angle intérieur, là o se produit la transition entre le corps cylindrique 22 et la bride 24, et peuvent déboucher sur des défaillances à cet endroit lorsque le corps ou la pièce
est mis en service.
Par contraste, la structure désirée est celle qu'on
décrit en figure 6, o de tels défauts ne se produisent pas.
On ne peut résoudre le problème de la formation des défauts en fournissant simplement un outil qui définit la paroi extérieure du corps cylindrique 22 en même temps que les brides 24, et un sac sous vide placé de manière étanche sur la surface du matériau composite à l'opposé de l'endroit o il sera en contact avec l'outil (c'est-à-dire le diamètre intérieur du corps cylindrique 22 et les faces 36 des brides), pour la raison indiquée en figure 7 La pièce 20 présente une courbure complexe comme conséquence de la multitude de centres de courbure locaux Le corps cylindrique 22 a un rayon de courbure 44 qui est sur l'intérieur de la 13 - pièce 20 L'angle formant l'intersection entre le corps cylindrique 22 et la bride 24 présente un autre rayon de courbure 46 (également représenté en figures 4-6), qui est sur l'extérieur de la pièce 20 Si l'on inverse les positions de l'outillage et du sac sous vide par rapport à celles qui sont représentées en figure 3, on souffrira du même problème
de défauts sur la surface intérieure du corps cylindrique 22.
En outre, dans la pièce particulière 20, le diamètre intérieur du corps 22 doit être maintenu à une valeur nominale stricte, et l'inversion des positions de l'outillage
et du sac ne permettra pas de conserver cette valeur.
La présente invention est représentée en figure 8 et en figure 9 On utilise un mode opératoire à trois étapes:
pose des nappes, suppression du bouffant et consolidation.
Pour la pose initiale des nappes du matériau composite, représentée en figure 8, on place les nappes individuelles 28
contre l'outillage se trouvant sur un côté de la pièce.
L'outillage comprend un premier outil rigide 47 qui définit la surface cylindrique de la pièce, et des seconds outils d'extrémité amovibles 48 de suppression du bouffant qui définissent les faces 36 des brides 24 et l'angle entre les brides 24 et la surface cylindrique Cet agencement de l'outillage, avec l'ensemble de l'outil rigide sur un côté de la pièce, facilite la mise en place des nappes dans la forme
généralement correcte pour la pièce 20.
Toujours en liaison avec la figure 8 pour la suppre-
ssion du bouffant, une membrane 49 de compression est placée sur le côté des nappes 28 opposé à l'outil, et un vide est créé par l'intermédiaire d'un orifice 50 dans l'espace séparant les nappes 28 et la membrane 49 La pression extérieure résultante qui agit contre les nappes 28 confère à celles-ci la forme générale définie par l'outil L'outil et les nappes du matériau composite peuvent être chauffés légèrement pendant l'opération de suppression du bouffant de manière à ramollir la matrice, mais à une température ne 14 - correspondant pas à la température de durcissement, et par conséquent il se produit un faible durcissement, voire aucun durcissement, du matériau composite pendant l'opération de suppression du bouffant Cette opération a pour effet de dimensionner les nappes assemblées de façon à réduire la tendance à la formation de plis dans l'article composite durci Le dimensionnement permet à l'outil de consolidation de se monter plus facilement sur le corps L'opération de suppression du bouffant élimine aussi une partie des vides
sans conférer au matériau composite sa forme finale, durcie.
Cependant, la seule opération de suppression du bouffant ne suffit pas à éliminer les derniers vides, et ne peut produire
une pièce finie.
Après suppression du bouffant, la membrane de compres-
sion 49 est enlevée et les seconds outils rigides 48 sont remplacés par des troisièmes outils rigides 56, un outil étant placé à chaque extrémité du cylindre, comme représenté en figure 9 pour l'une des extrémités de ce cylindre Le premier outil rigide 47, le long de la surface intérieure cylindrique, reste dans la même position pour les étapes de pose des nappes les unes sur les autres, de suppression du bouffant et de consolidation Ainsi, pour la consolidation, l'outillage rigide est fourni en parties multiples, dont certaines se trouvent sur un côté de la pièce 20 et dont d'autres sont sur le côté opposé de cette pièce D'une façon similaire, la membrane de compression pour la suppression du
bouffant est remplacée par de multiples membranes de compres-
sion qui sont disposées, en étant opposées, sur les parties
de l'outillage rigide.
Plus spécialement, le premier outil rigide 47 est disposé à un endroit contigu à la surface intérieure 34 ou surface concave du corps cylindrique dans la zone o le rayon de courbure 44 se trouve sur ce côté de la pièce20 Une première membrane 52 de compression pour consolidation est placée à l'opposé du premier outil rigide 47, c'est-à-dire à - un endroit contigu à la surface extérieure 54 du corps cylindrique 22 Un troisième outil rigide 56 est placé de façon que sa surface plate 57 se monte contre la surface de la bride 24 en regard de l'intérieur et définit cette surface, et une surface convexe 58 du troisième outil rigide se monte dans la courbure concave de l'angle, et la définit, entre le corps 22 et la bride 24, là o le rayon de courbure 46 est sur ce côté de la pièce 20 Un croisillon 59 en quatre parties maintient de manière amovible le troisième outil rigide 56 sur le premier outil 47 Une seconde membrane 60 de compression pour consolidation est disposée à l'opposé du troisième outil rigide 56, c'est-à-dire sur le côté des nappes contiguës à la surface convexe 66 de chaque angle de la bride Toutes les membranes de compression sont rendues étanches le long de leur bord avec des joints 61 du type qu'on utilise généralement dans la technologie des matériaux composites. Ainsi, chaque zone de la pièce 20 comporte un outil
rigide contre l'un de ses côtés et une membrane de compres-
sion sur l'autre, mais le côté sur lequel on les trouve peut être changé selon nécessité de sorte que l'outillage rigide est placé à un endroit contigu à la surface concave, plus
brutalement courbe, du matériau composite dans cette zone.
L'emplacement du changement de l'outillage et de la membrane
entre un côté et l'autre est appelé "point de renvois 64 ".
Au point 64, on préfère qu'il y ait une transition régulière de l'outillage et de la membrane de compression entre un côté de la pièce 20 et l'autre côté On facilite une transition régulière en rendant coniques les outils rigides
47 et 56, avec des surfaces inclinées 66 et 68, respective-
ment Ces surfaces inclinées 66 et 68 permettent d'amener les membranes de compression adjacentes en contact régulier, sans
plis, avec la surface de la pièce 20 de la manière illustrée.
Si, d'autre part, les extrémités des outils 47 et 56 étaient au carré, les membranes de compression placées sur ces extrémités formeraient des plis aux angles de sorte que la 16 -
pression de consolidation ne pourrait être appliquées régu-
lièrement au corps 26 du matériau composite.
La pression de consolidation peut être appliquée en créant un vide audessous de chaque membrane de compression 52 et 60 par l'intermédiaire d'un orifice 70 communiquant avec l'intérieur de l'espace séparant chaque membrane et la partie contiguë du corps 26 du matériau composite On doit veiller à ce que le vide soit communiqué à chacun des espaces intérieurs définis par une membrane de compression Lorsque le vide est créé par l'intermédiaire de l'orifice 70, une pression atmosphérique de 0,09-0,1 M Pa est appliquée à chacune des membranes, ce qui se traduit par la consolidation du corps 26 contre l'outil respectif Une autre solution, dans laquelle il faut une pression plus élevée, consiste à
appliquer la pression positive d'un gaz aux surfaces exté-
rieures des membranes de compression en plaçant la totalité de la pièce et de l'outillage dans une chambre pressurisée chauffée, qu'on appelle autoclave De préférence, on peut appliquer le vide ainsi que la pression du gaz extérieur dans des combinaisons sélectionnées, ou des valeurs différentes du vide et de la pression dans des zones différentes de la pièce, comme cela peut être nécessité par une configuration
particulière des pièces.
On chauffe normalement le matériau composite pendant la consolidation, pour aider à celle-ci par ramollissement de la matrice et aussi pour durcir la matrice en polymère du matériau composite Le chauffage s'effectue généralement au moyen d'éléments chauffants dans l'autoclave En variante, on peut fournir de la chaleur en chauffant des bandes enroulées autour de la pièce composite et de l'outillage, ou avec des
éléments chauffants 72 noyés dans l'outillage.
La solution représentée en figure 9 empêche la création de défauts sur les surfaces concaves des zones de la
pièce 20, comparables à ceux représentés en figures 4 et 5.
L'angle entre le corps cylindrique et la bride est régulier, 17 -
exempt de plis et de ponts, comme celui illustré en figure 6.
En outre, ces surfaces peuvent être réalisées aux cotes dimensionnelles particulières des surfaces concaves et des surfaces plates contiguës, comme cela est normalement le cas de nombreuses pièces. On a préparé une pièce composite du type représenté en
figure 1 en utilisant la solution de la présente invention.
Le corps cylindrique avait un diamètre intérieur d'environ 91 cm et une longueur d'environ 38 cm L'épaisseur du corps cylindrique et des brides d'extrémité, à l'achèvement de la pièce, était d'environ 5 mm Le matériau composite était constitué dans ce cas d'environ 60 % en volume de fibres de
carbone dans une matrice partiellement durcie en polyimide.
Pour préparer la pièce, on a maintenu dans un gabarit des outils en acier tels que ceux représentés en figure 8, et on a entassé quinze nappes de matériau composite préimprégné sur l'outillage, cinq épaisseurs à la foispuis on a procédé à la suppression du bouffant des nappes qui avaient été posées à ce moment-là Plus précisément, on a placé les cinq premières nappes, puis on a supprimé leur bouffant On a ajouté cinq nouvelles nappes, et on a alors procédé à la suppression du bouffant des dix nappes On a procédé à une suppression finale du bouffant après avoir entassé les cinq dernières nappes Dans chaque opération de suppression du bouffant, on a entassé le nombre indiqué de nappes, et placé la pellicule en polyimide de la membrane de suppression du bouffant contre le matériau composite sur le côté opposé à l'outillage On a placé une pompe mécanique à vide sur les conduites de vide afin d'appliquer la pression au matériau composite par l'intermédiaire des membranes de compression pendant environ 15 minutes, afin de procéder à la suppression du bouffant du corps du matériau composite On a chauffé la pièce en matériau composite à une température d'environ 650 C
pendant cette opération.
Pour effectuer la consolidation, on a enlevé les 18 - outils rigides ayant servi à la suppression du bouffant et on les a remplacés par le second jeu d'outils rigides On a
placé les membranes de consolidation en pellicule de poly-
imide contre le matériau composite à l'opposé de l'outillage rigide et on les a rendu étanches sur place, selon la manière
illustrée en figure 9, avant l'assemblage final de l'outil-
lage (En variante, on peut utiliser d'autres matériaux flexibles, par exemple des membranes en matériaux dits Viton ou Teflon) On a placé l'outillage et le matériau composite dans un autoclave, et appliqué le vide d'une pompe mécanique aux espaces situés entre la membrane de consolidation et l'outillage, avant de procéder au chauffage en autoclave On a établi une pression dans l'autoclave de 1,4 M Pa avec une atmosphère inerte On a alors chauffé l'outillage et le matériau composite à une température de 3150 C et on les a maintenus pendant 180 minutes pour obtenir la consolidation et le durcissement complets de la matrice composite en polyimide On a alors refroidi à la température ambiante l'outillage et le matériau composite consolidé et on a enlevé l'outillage La pièce en matériau composite qu'on a obtenue présente une haute qualité qui ne comporte aucun des types de
défauts qu'on a discutés en liaison avec les figures 4 et 5.
Alors qu'on l'a décrite en liaison avec le mode de réalisation préféré représenté dans les figures, la solution de la présente invention n'est pas ainsi limitée Elle peut
être utilisée dans une vaste variété de pièces dans lesquel-
les il y a plusieurs courbures de sorte qu'un seul agencement avec outil rigide et sac sous vide ne peut être conçu pour
éviter les problèmes qu'on a décrits précédemment L'outil-
lage et les membranes nécessaires sont plus complexes dans la solution avec "renvois" que dans la solution classique, comme on peut le voir en comparant les figures 8 et 3, mais la complexité supplémentaire permet la préparation d'une pièce
exempte des défauts liés à la solution classique.
Une autre application de cette technique est repré-
19 - sentée en figure 10 Un corps composite 80 doit comporter une première surface 82 définie par une cavité dans une première zone, et une seconde surface 84 définie par une autre cavité (sur l'autre côté du corps 80) dans une seconde zone Un premier outil rigide 86 est en contact avec la première surface 82, et un second outil rigide 88 est en contact avec la seconde surface 84 Une première membrane de compression est en contact avec la seconde surface 84 dans la zone opposée au premier outil rigide 86 Une seconde membrane de compression 92 est en contact avec la première surface 82
opposée au second outil rigide 88 La consolidation s'effec-
tue de la manière qu'on a décrite précédemment.
-
Claims (22)
1 Procédé pour consolider un corps ( 26) en matériau composite, caractérisé an ce qu'il comprend les étapes consistant à: fournir un corps en matériau composite ( 26) ayant une structure constituée de nappes non consolidées ( 28) de fibres
de renforcement enrobées dans une matrice, le corps présen-
tant un premier côté et un second côté opposé; puis, placer un premier outil rigide ( 47) contre le premier côté du corps composite dans une première zone, placer un second outil rigide ( 48) contre le second côté du corps composite dans une seconde zone, placer une première membrane de compression pour consolidation ( 52) ayant au moins deux faces contre le second côté du corps composite dans la première zone, placer une seconde membrane de compression pour consolidation ( 60) ayant deux faces contre le premier côté du corps composite dans la seconde zone, et appliquer une pression à la première membrane de compression pour consolidation et à la seconde membrane de compression pour consolidation, d'o l'application d'une
pression au corps composite pour en provoquer la consolida-
tion. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend l'étape supplémentaire, après l'étape de mise
en place d'une seconde membrane de compression pour consoli-
dation, consistant à: chauffer le matériau composite, les outils et les membranes de compression pour consolidation à une température
élevée pour provoquer le durcissement du matériau composite.
3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps du matériau composite comprend au moins deux zones courbes, une zone convexe et une zone concave, un outil rigide est placé contre la face concave de chacune des zones courbes, et chaque membrane respective de compression pour 21 - consolidation est placée contre la face convexe des zones
courbes correspondantes.
4 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape consistant à appliquer une pression est exécutée en appliquant une pression positive à la face de la membrane de compression pour consolidation qui n'est pas en contact
avec le corps en matériau composite.
Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape consistant à appliquer une pression est exécutée en créant un vide sur la face de la membrane de compression
pour consolidation à proximité du matériau composite.
6 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend l'étape supplémentaire, après l'étape de fourniture mais avant celle de mise en place d'un premier outil rigide, consistant à:
supprimer le bouffant du corps en matériau composite.
7 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les étapes de chauffage et d'application de pression au
matériau composite sont exécutées en autoclave.
8 Article consolidé en matériau composite, caracté-
érisé en ce qu'il est préparé par le procédé de la
revendication 1.
9 Procédé pour consolider un corps en matériau composite ayant une forme non plane, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: fournir un corps ( 26) en matériau composite ayant une structure constituée de nappes non consolidées ( 28) de fibres de renforcement enrobées dans une matrice, la forme du corps présentant une courbure complexe de sorte que dans une première zone un premier côté du matériau composite forme la face concave de la courbe et dans une seconde zone un second côté du matériau composite constitue la face convexe de la courbe; puis, placer un premier outil rigide ( 47) contre le premier côté du matériau composite dans la première zone; 22 - placer un second outil rigide ( 48) contre le second côté du matériau composite dans la seconde zone; placer une première membrane de compression pour
consolidation ( 52) contre le second côté du matériau compo-
site dans la première zone placer une seconde membrane de compression pour consolidation ( 60) contre le premier côté du matériau composite dans la première zone; et appliquer une pression à la première membrane de compression pour consolidation et à la seconde membrane de compression pour consolidation, d'o l'application d'une
pression au matériau composite pour en provoquer la consoli-
dation. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'étape d'application d'une pression est exécutée en introduisant une pression positive sur le côté de la membrane de compression pour consolidation qui n'est pas en contact
avec le corps en matériau composite.
11 Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'étape consistant à appliquer une pression est exécutée en créant un vide sur le côté de la membrane de compression pour consolidation qui est en regard du matériau composite. 12 Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend l'étape supplémentaire, après l'étape de mise en place d'une seconde membrane de compression pour consolidation, consistant à: chauffer le corps du matériau composite, les outils, et les membranes de compression pour consolidation à une
température supérieure à la température ambiante pour provo-
quer le durcissement du matériau composite.
13 Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le matériau composite a la forme d'un cylindre ( 22)
muni de brides ( 24).
14 Procédé selon la revendication 9, caractérisé en 23 -
ce qu'il comprend l'étape supplémentaire consistant à sup-
primer le bouffant du matériau composite après l'étape de fourniture mais avant l'étape de mise en place d'un premier
outil rigide.
15 Article consolidé en matériau composite, carac- térisé en ce qu'il est préparé par le procédé de la
revendication 9.
16 Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que les étapes de chauffage et d'application de la
pression sont exécutées en autoclave.
17 Procédé pour consolider un corps en matériau composite, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: fournir un corps ( 26) en matériau composite ayant une structure constituée de nappes non consolidées ( 28) d'une matrice comportant des fibres de renforcement enrobées dans son intérieur, le corps présentant un premier coté et un second côté opposé; alors;
supprimer le bouffant du corps par les étapes consis-
tant à: placer un premier outil rigide ( 47) contre le premier côté du corps du matériau composite dans une première zone, placer un second outil rigide ( 48) contre le premier côté du corps du matériau composite dans une seconde zone, placer une membrane de compression pour suppression du bouffant ( 49) contre le second côté du corps en matériau composite dans les première et seconde zones, appliquer une pression à la membrane de compression pour suppression du bouffant afin que le corps en matériau composite soit au moins consolidé en partie, et
enlever la membrane de compression pour suppres-
sion du bouffant et le second outil rigide; placer un troisième outil rigide ( 56) contre le second côté du corps en matériau composite dans sa seconde zone; placer une première membrane de compression pour 24 consolidation ( 52) contre le second côté du corps en matériau composite dans sa première zone, placer une seconde membrane de compression pour consolidation ( 60) contre le premier côté du corps du matériau composite dans sa seconde zone, et
appliquer une pression aux première et seconde mem-
branes de compression pour consolidation tout en chauffant simultanément le corps en matériau composite, afin de
provoquer une nouvelle consolidation et un nouveau durcis-
sement du matériau composite.
18 Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce que l'étape d'application de la pression et de chauffage
simultané du matériau composite est exécutée en autoclave.
19 Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce que le corps du matériau composite a une courbure complexe de sorte que, dans la première zone, le premier côté est concave et que, dans la seconde zone, le second côté est concave. Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce que l'étape consistant à supprimer le bouffant comporte l'opération supplémentaire de chauffage du matériau composite à une teméprature supérieure à la température ambiante et
inférieure à la température de durcissement.
21 Article consolidé en matériau composite, carac-
térisé en ce qu'il est préparé par le procédé de la
revendication 17.
22 Dispositif pour consolider un corps en matériau composite non consolidé ( 26), le corps présentant un premier côté et un second côté opposé, caractérisé en ce qu'il comprend: un premier outil rigide ( 47) façonné de manière à se monter sur le premier côté du corps composite dans une première zone, un second outil rigide ( 48) façonné de manière à se monter sur le second côté du corps composite dans une seconde - zone,
une première membrane de compression pour consolida-
tion ( 52) disposée de manière à être en contact avec le second côté du corps composite dans la première zone, une seconde membrane de compression pour consolidation ( 60) disposée de manière à être en contact avec le premier côté du corps composite dans la seconde zone, et un moyen ( 50) pour appliquer une pression au corps
composite sur le côté opposé à chaque outil rigide.
23 Dispositif selon la revendication 22, caractérisé
en ce qu'il comprend en outre un moyen ( 72) pour le chauffer.
24 Dispositif pour consolider un corps ( 26) en matériau composite non consolidé ayant une forme présentant une courbure complexe telle que dans une première zone un premier côté du corps composite est concave et dans une seconde zone un second côté du corps composite est concave, caractérisé en ce qu'il comprend: un premier outil rigide ( 47) façonné de façon à se monter sur le premier côté du corps composite dans la première zone, un second outil rigide ( 48) façonné de manière à se monter sur le second côté du corps composite dans la seconde zone,
une première membrane de compression pour consolida-
tion ( 52) disposée en contact avec le second côté du corps composite dans la première zone, une seconde membrane de compression pour consolidation ( 60) disposée en contact avec le premier côté du corps composite dans la seconde zone, et un moyen ( 50) pour appliquer une pression au corps en
matériau composite sur le côté opposé à chaque outil rigide.
Dispositif selon la revendication 24, caractérisé
en ce qu'il comprend en outre un moyen ( 72) pour le chauffer.
26 Dispositif pour consolider un corps en matériau composite de forme complexe ayant un premier côté et un 26 - second côté, caractérisé en ce qu'il comprend un premier outil rigide ( 47) façonné de manière à se monter contre le premier côté du corps en matériau composite dans une première zone de celui-ci, un second outil composite ( 48) façonné de manière à se monter contre le premier côté du corps du matériau composite dans une seconde zone de celui-ci, une membrane de compression pour suppression du bouffant ( 49) dimensionnée de manière à se monter contre le second côté du corps en matériau composite dans ses première et seconde zones; un troisième outil rigide ( 56) façonné de manière à se monter contre le second côté du corps en matériau composite dans sa seconde zone,
une première membrane de compression pour consolida-
tion ( 52) dimensionnée de manière à se monter contre le second côté du corps en matériau composite dans sa première zone, une seconde membrane de compression pour consolidation ( 60) dimensionnée de manière à se monter contre le premier
côté du corps en matériau composite dans sa seconde zone.
27 Dispositif pour consolider un corps en matériau composite de forme complexe ayant un premier côté et un second côté, caractérisé en ce qu'il comprend un outil rigide de suppression du bouffant façonné de manière à se monter contre le premier côté du corps du matériau composite dans une première et une seconde zone de celui-ci, une membrane de compression pour suppression du bouffant ( 49) dimensionné de manière à se monter contre le second côté du corps en matériau composite dans ses premières et secondes zones, un premier outil rigide ( 47) façonné de manière à se monter contre le premier côté du corps en matériau composite dans une première zone de celui-ci, 27 - un second outil rigide ( 48) façonné de manière à se monter contre le second côté du corps en matériau composite dans une seconde zone de celui-ci,
une première membrane de compression pour consolida-
tion ( 52) dimensionnée de manière à se monter contre le second côté du corps en matériau composite dans sa première zone, et une seconde membrane de compression pour consolidation ( 60) dimensionnée de manière à se monter contre le premier
côté du corps en matériau composite dans sa seconde zone.
28 Dispositif selon la revendication 27, caractérisé en ce que le premier outil rigide est en outre façonné de façon à se monter contre une surface concave sur le premier côté du corps en matériau composite dans sa première zone, et le second outil rigide est en outre façonné de manière à se monter contre une surface concave sur le second côté du corps
en matériau composite dans sa seconde zone.
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