Brevet FR2103558A1 — publié le 19720414

i 2103558 La présente invention se rapporte à des matières plasticues renforcées par des fibres, et elle concerne, plus particulièrement, un procédé de fabrication d'articles comro-'sites' 1 partir de ratières plastiques renforcées par des fi-5 bres, ainsi iiu'utî copareil destiné * mettre en oeuvre ce procédé . Les matières rlastinues renforcées par des fibres, notamment par des fibres de verre, ont pris une importance in- ' dustrielle considérable. On exploite les propriétés de-résis-10 tance remarquables des corps comprenant des fibres ou filaments continus enrobés dans une matrice de matière résineuse, dans le procédé connu sous la dénomination d'enroulement de filaments, dans lequel le renforcement comprend des matières filamenteuses non-métalliciues ou métalliques, sous forme de 15 fibres ou de rubans. Récemment, on a utilisé des fibres autres que les fibres de verre pour l'enroulement de filaments, lorsqu'il convient particulièrement de les utiliser sous forme d'un ruban imprégné d'une composition de résine. De façon typique, ces fibres sont en carbone, en bore, en carbure de silicium, 20 en nitrure de silicium, er alumine, ou en un métal (y compris des fils métalliques enduits de verre) . Le ruban comprend des fibres alignées continues, imprégnées d'une composition de résine que l'on a pu appliquer sous forme de liquide visqueux, ou sous forme d'une mince pellicule continue solide, puis faire 25 passer à l'état B. Pour fabriquer un enroulement acceptable., il faut souvent réduire la viscosité de la résine par application de la chaleur. On met le ruban chauffé en position sous tension, et l'on durcit la composition de résine. Le ruban contient une 30 quantité de composition de résine supérieure ? la quantité requise pour maintenir les fibres en place et, lorsqu'on enroule le ruban autour du gabarit sous tension, cette résine en excès a tendance ? migrer vers la surface extérieure de l'enroulement, en entraînant avec elle l'air qui a été éventuelle-35 ment emprisonné dans le ruban lors de sa formation. Cependant, la migration de la résine vers la surface extérieure de l'enroulement peut donner naissance ri trois défauts dans le produit enroulé final. Le premier de ces défauts est un déplacement latéral des couches subséquentes, 2,0 produisant un enroulement irrégulier le second défaut est la BAD ORIGINAL COPY 71 31027 '' 2103558 présence de poches.de composition, de ronine non renforcée par de la matière fibreuse entre les enroulements, et le troisième défaut est la présence de noches d'sir dues ? l'air retire d'une couche d'enroulements et ,errinrif:ornr 3:us la couche 5 suivante. Ces défauts produisent. un article- revivant présenter une résistance non adéquate aux conditions d'ur.ili-sation enviremnantes. Pour supprimer ces défauts, il faut éliminer l'excès de composition de résine visqueuse. Cependant, la visco-10 sité élevée de la composition de.résine rend cette élimination difficile. Un agencement de raclage, tel qu'une racle, retirerait au moins une partie de la matière fibreuse avec la résine, ce qui aboutirait à la déformation de la matière fibreuse restante. 15 La présente invention a pour objet un procédé per mettant de retirer d'un enroulement l'excès de composition de .résine visqueuse sans détériorer la couche fibreuse déjà déposée. Elle a également pour objet un procédé permettant de réaligner et d'égaliser les extrémités libres déformées des fi~ 20 bres, pour produire une surface appropriée pour lui appliquer d'autres couches de matière filamenteuse liée dans une matrice de composition de résine. On propose ainsi, selon l'invention, un procédé de fabrication d'articles ^ filaments enroulés $ partir d'un 25 ruban comprenant plusieurs faisceaux de fibres, notamment de fibres de carbone, imprégnées d'une composition de résine, dans lequel on place le ruban en position sous tension sur un gabarit pour former un enroulement à une vitesse et à une température telles que l'excès de composition de résine du ruban 30 coule vers la surface extérieure de l'enroulement et, avant l'addition de couches ultérieures, l'excès de composition de résine se dépose sur un rouleau creux, perforé à sa surface, de façon, que cet excès de composition de résine soit retiré de l'enroulement.' 35 II est préférable que le rouleau perforé soit en traîné de façon que sa périphérie se déplace dans le même sens, mais plus vite, que l'enroulement avec lequel elle est. en contact. De cette façon, l'enroulement est lissé et les extrémités libres des fibres s'alignent correctement. ^0 Selon un autre aspect de l'invention, un appareil 1 BAD ORIGINAL COPY 71 31027 3 2103558 destiné à retirer l'excès de composition de résine de la sur- ï face extérieure d'un enroulement de filaments comprend des moyens pour faire passer un ruban imprégné de composition de résine sur un gabarit en forme de rouleau rotatif, des moyens 5 pour faire tourner le gabarit en forire de rouleau, des moyens pour enrouler le ruban imprégné de résine sur le gabarit afin de former un enroulement de filaments, un rouleau rotatif creux comportant une surface perforée et monté de façon 1 être en contact avec l'enroulement de filaments, et des moyens pour 10 retirer l'excès de composition de résine du rouleau creux. Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée : la figure 1 est une élévation latérale schématique d'ensemble représentant un mode d'exécution préféré de l'appa-15 reil selon l'invention * la figure 2 est une vue schématique en plan d'un rouleau utilisé selon une caractéristique préférée de l'invention • la figure 3 est une coupe du rouleau de la figure 20 2, suivant la ligne B-B : la figure 3A est une coupe du rouelau de la figure 2, suivant la ligne A-A • " la figure 4 représente un agencement schématique de l'appareil selon l'invention que l'on utilise lorsque du 25. ruban est enroulé hélicoïdalement sur un gabarit. En se référant à la figure 1, on chauffe un ruban de matière fibreuse imprégnée d'une composition de résine liquide visqueuse par des moyens classiques (non représentés) et l'on fait passer le ruban chauffé 1 sous tension sur un ga-30 barit ou mandrin rotatif 2. Comme le mandrin tourne, la résine en excès coule vers la surface extérieure de l'enroulement 3 et, juste avant l'application d'une autre couche de ruban, elle entre en contact avec un rouleau perforé 4 qui retire l'excès de résine, ce qui permet au ruban d'être déposé di-35 rectement sur le renforcement fibreux de la couche précédente. Le rouleau 4 peut être entraîné uniquement par frottement sur la surface rotative de l'enroulement, ou bien il peut être entraîné indépendamment, de façon que les vitesses périphériques des surfaces qui se touchent soient égales, ou que celle du 40 rouleau perfore 4 soit supérieure à celle de l'enroulement 3 BAD ORIGINAL ÙOPY 71 31027 2103558 de filaments. La position dans laquelle on place le rouleau perforé 4' par rapport à l'enroulement 3 est susceptible de varier, mais il est préférable de retirer la résine en excès juste avant de superposer la couche de ruban suivante. Il est 5 cependant essentiel de maintenir le ruban en contact avec le gabarit ou mandrin pendant une' durée suffisante pour laisser la résine s'écouler à la surface extérieure de l'enroulement avant que l'enroulement passe dans le'pincement compris entre le gabarit et le rouleau perforé. Il "est donc préférable de 10 placer le rouleau perforé 4 de façon qu'il entre en contact avec la surface de l'enroulement juste avant la superposition de la couche de ruban suivante. La figure 2 représente un type de rouleau perforé. Le rouleau tourne autour d'un axe AA et toute la périphérie 15 de la surface extérieure 21 du rouleau comporte des cavités 22 dirigées vers l'axe horizontal du rouleau. La position de ces cavités n'est pas fondamentale, mais on peut la modifier selon les circonstances particulières. La figure 3 est une coupe du rouleau représenté 20 sur la figure 2, suivant la ligne BB, tandis que la figure 3A est une coupë de ce rouleau, suivant la ligne AA. Les cavités superficielles 22 sont reliées à des canaux 32 parallèles à l'axe de rotation du rouleau. La composition de résine qui pénètre dans les cavités 22 s'enfonce, sous l'action de 25 la pression hydrostatique de la quantité supplémentaire de composition de résine qui arrive». S travers des tubes de liaison 31, dans les canaux 32 et les parcourt pour parvenir aux extrémités du rouleau, d'où elle peut être retirée par des moyens connus, par exemple par une racle. 3^ La figure 4 représente une autre variante du pro cédé, dans laquelle un ruban Ml s'enroule hélicoïdalement sur un gabarit M2. A cause du temps nécessaire pour qu'un enroulement se superpose ? un autre, il s'avère plus commode de placer le rouleau 43 dans une position telle'ou'il entre en con-35 tact avec l'enroulement peu de temps après sa constitution plutôt que juste avant la superposition de la couche suivante. La position réelle du rouleau dépendra des circonstances, mais il s'est avéré qu'en général, on effectue une élimination de l'excès de composition"de résine satisfaisante si le rouleau ^ 43 est en contact avec l'enroulement juste après celui qui est 71 31027 2103558 en cours de pose. Le rouleau perforé peut être en n'importe quelle matière classique qui n'est pas attaquée par la composition de résine fondue, et à laquelle la composition de résine 5 n'adhère pas trop fortement. Pour des raisons de facilité de fabrication et de robustesse générale, il est préférable d'uti liser des rouleaux de polytétrafluoréthylène. Les cavités peuvent être circulaires, ou bien elles peuvent être allongées pour former des fentes : elles peuvent .être disposées de 10 façon symétrique ou aléatoire. Bien que la nature et l'agencement des cavités ne soient pas fondamentaux, il est. important que les cavités ne soient pas trop grandes. L'utilisation de petites cavités contribue à 1-'écoulement de la composition de résine dans les canaux de liaison et assure que la surface 15 du rouleau est lisse, ce qui empêche de détériorer le renforcement fibreux fragile. Il faut chauffer le rouleau perforé sensiblement à la même température que le gabarit ou mandrin rotatif. On peut y parvenir en chauffant le rouleau indépendamment ou, de 20 préférence, en permettant au rouleau de rester en contact avec le gabarit, jusqu'à ce qu'il atteigne la même température que ledit gabarit, avant de commencer l'opération d'enroulement. Les rubans du type utilisé dans le procédé d'enrou lement de filaments selon l'invention sont, en général, dispo-25 nibles dans le commerce, et ils comprennent un renforcement de fibres de verre, de bore, de carbure de silicium, de nitrure de silicium, d'alumine, de métal pouvant être enrobé dans du verre, et notamment de carbone, incorporé dans une matrice de résine. 30 Comme résines appropriées pour être utilisées dans le cadre de l'invention, il y a lieu de citer des résines ther modurcissables individuelles telles qu'une résine époxyde (c'est-à-dire une substance contenant, en moyenne, plus d'un groupe 1,2-époxyde par molécule), un résol formé à partir d'un 35 phénol tel que le phénol lui-même -et d'un aidéhyde tel que le formaldéhyde, un polyester non saturé, une résine siliconique, une résine mélamine ou une résine de furane, ou bien des mélanges de résines thermodurcissables.• Il est préférable qu'elles contiennent également une résine thermoplastique qui n'est ^0 pas thermodurcissable. Comme exemples de telles compositions, 71 31027 6 2103558 il y a lieu de citer : des résols avec , comme composant thermoplastique, un acétal poîyvinylique ou un nylon *, une résine novolaaue formée S partir d'un phcnol comme le phénol lui-même et du formaldéhyde ou d'un autre aldéhyde, avec un caout-5 chouc néoprène ou acrylonitrile ; et des résinés époxydes, avec une résine phénoxy (c'est-à-dire un polyarylène-polyhy-droxy-polyéther, pratiquement dépourvu de groupes 1,2-époxydes qui est un copolymère d'un diphénol avec un ether diglycidyli-que d'un diphénol ou avec l'épichîorhydrine, et renferme des 10 motifs périodiques répondant à la formule -0R0CHoCHCH_- I 2 OH 15 où R désigne un groupe arylëne), une polysulfone (c'est-à-di-re un polymère contenant des groupes périodiques réprésentés par la formule -RS02-, où R a la signification précitée), ou un copolymère d'un hydrocarbure oc-oléfinique avec une a-olé-20 fine qui est un ester d'un acide carboxylique. Des compositions de résines thermoplastiques appropriées peuvent ne renfermer qu'une résine thermoplastique, telle qu'un polycarbonate, un poly-oxyméthylène, un polyimide, un poly-benzimidazole, ou un polyamide, ou bien elles peuvent 25 renfermer un mélange de résines thermoplastiques. L'invention est expliquée avec davantage de détails dans l'exemple non limitatif qui suit. Dans cet exemple, et sauf indication contraire, les températures s'entendent en degrés Celsius. 30 La composition de résine A comprend un mélange de résines époxydes polyglycidyliques de bisphénol A de poids moléculaire respectivement élevé et faible, d'une teneur moyenne en époxyde de 3S21 équivalents par kilogramme et, comme agent de durcissement, le dicyandiamide en même temps qu'un composé 35 pour accélérer la réaction de durcissement. Cette composition ramollit à des températures comprises entre 100 et 110°. EXEMPLE On forme sur un mandrin un anneau renforcé par des 40 fibres de 1,27 cm de large et de 0,15 cm d'épaisseur, d'un dia 71 31027 7 2103558 mètre intérieur de 14,75 cm, en enroulant un ruban unidirectionnel de 1,27 cm de large composé de 6055 de fibres de carbone intermédiaires non traitées "Rolls Royce1', et de 40$ de composition de résine A. 5 Le mandrin, en acier, présente un diamètre exté rieur de 14,75 cm et il comporte deux brides amovibles écartées de 1,27 cm entre lesquelles on doit enrouler le. ruban. De l'air chaud provenant d'une soufflerie est canalisé autour du mandrin, et il le chauffe uniformément ? une température 10 d'environ 110°. Le mandrin tourne * une vitesse comprise entre 5 et 10 tours par minute. On appuie contre le mandrin un rouleau perforé, en polytétrafluoréthylène, de 1,27 cm de large et de 5,08 cm de diamètre extérieur, sous une charge de 18,14 kg entre les 15 brides, en un point tel que le ruban enroulé sur le mandrin entre les brides accomplisse trois quarts de tours avant de passer dans le pincement compris entre le rouleau et le mandrin. L'arbre du rouleau perforé est. fixé a une roue dentée, sur laquelle est en prise une chaîne enroulée autour 'du man-20 drin. De cette façon, en tournât, le mandrin entraîne en rotation le rouleâu perforé, avec une vitesse périphérique supérieure d'environ 5% celle du mandrin. On enroule le ruban, sous une tension d'environ 6,8 à kg, sur le mandrin entre les brides. Le ruban pénètre 25 dans la zone d'air chaud entourant le mandrin environ 7,5 cm avant d'entrer en contact avec le mandrin, et la résine du ru ban a fondu suffisamment pour permettre audit ruban d'être couché en position, et à excès de résine de se rassembler sur la surface extérieure du ruban, avant qu'il ne passe dans 30 le pincement compris entre le rouleau perforé, et le mandrin. Après enroulement de l'épaisseur de ruban voulue, on coupe le ruban et l'on fixe l'extrémité 3. l'anneau que l'on durcit alors sur le mandrin en le chauffant une heure.à la température de 140°. 71 31027 8 2103558 • REVENDICATIONS- ' • 1. Procédé de fabrication d'articles ?. filaments enroulés, à partir d'un ruban comprenant plusieurs faisceaux de fibres, imprégné d'une composition de résine, caractérisé 5 en ce que l'on place le ruban en position sous tension sur un gabarit pour former un enroulement ? une vitesse et à.une température telles que l'excès de composition de résine du ru ban coule vers la surface extérieure de l'enroulement et en ce qu'avant l'addition de couches ultérieures, l'excès de corn 10 position de résine se dépose sur un rouleau creux, perforé à sa surface, de façon que cet excès de composition de résine soit retiré de l'enroulement. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rouleau perforé est entraîné de façon que sa pé- 15 riphérie se déplace dans le même sens, mais plus vite, que l'enroulement avec lequel elle est en contact. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les fibres sont des fibres de carbone. quelconque/ 4. Procédé selon l'une/clés revendications 1 à 3, 20 caractérisé en ce que la résine est thermodurcissable. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la résine contient également une résine thermoplastique qui n'est pas thermodurcissable. 5. Procédé selon la revendication 5, caractérisé 25 en ce que la résine est un .mélange d'un résol avec un acétal polyvinylique ou un nylon, d'une résine novolaque formée à partir d'un phénol et d'un aldéhyde avec un caoutchouc néoprè ne ou acrylonitrile, ou d'une résine époxyde avec une résine phénoxy, un polysulfone ou un copolymère d'un hydrocarbure 3® oc-oléfinique avec une 06-oléfine qui est un^ester d'un acide carboxylique. 7- Appareil destiné à retirer l'excès de composition de résine de la surface extérieure d'un enroulement de filaments, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour 35 faire passer un ruban imprégné de composition de résine sur un gabarit en forme de rouleau rotatif", des moyens pour faire tourner le gabarit conformé en rouleau, des moyens pour en rouler le ruban imprégné de résine sur le gabarit afin de for mer un enroulement de filaments, un rouleau creux rotatif corn 1,0 portant une surface perforée et monté de façon §. être en con- 71 31027 9 2103558 tact avec l'enroulement de filaments, et des moyens pour retirer l'excès de composition de résine du rouleau creux. 8. Appareil selon la revendication 75 caractérisé en ce que le rouleau creux rotatif est en polytétrafluoréthy- 5 lène. 9. Articles â filaments enroulés, caractérisés en ce qu'ils sont fabriqués par un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, 10. Articles à filaments enroulés, caractérisés 10 en ce qu'ils sont fabriqués au moyen d'un appareil selon la revendication 7 ou 8.