Brevet FR2405801A1 — publié le 19790511

La présente invention se rapporte à un procédé de fabrication de produits en résine synthétique armée de fibres et elle a trait plus particulièrement à un procédé et à un appareil pour fabriquer des produits en résine synthétique à renforcement de fibres à orientation unidirectionnelle. On sait déjà fabriquer des produits en résine synthétique å renforcement de fibres d'orientation unidirectionnelle en utilisant des fibres à haute résistance à la traction, par exemple des filaments de carbone, des fibres métalliques, des fibres chiniques, etc, comme fibres de renforcement et en revêtant ou en imprégnant ces fibres avec une résine thermodurcissable telle qu'une résine phénolique ou bien une résine durcissable & froid telle qu'une ré- sine époxy.Cependant ce procédé classique a posé un problème s*- rieux du fait que les fibres sont fortement rétractées en étant d~- tendues et partiellement soumises à une compression dans leur sens longitudinal par la matière résineuse qui les entoure, du fait du rétrécissement de celle-ci à la polymérisation et de la contraction å la chaleur après une polymérisation & chaud et en conséquence les fibres sont moulées dans un état partiellement fléchi ou détendu dans le cas où le coefficient de dilatation linéaire des fibres utilisées est inférieur & celui de la matière résineuse employée.Du fait que les fibres ne peuvent pas supporter la compression lorsqu'elles sont comprimées dans leur sens longitudinal, elles prennent après durcissement et retrait de la matière résineuse, un profil non linéaire, ondulé ou d'incurvation irrégulière et elles sont fixées dans la matière résineuse dans leur état détendu. En conséquence, bien que les fibres semblent être orientées dans le sens longitudinal du produit moulé, elles sont en fait immobilisées à l'état détendu et ne sont pas disposées correctement suivant une disposition parallèle et linéaire. En conséquence, les produits ainsi obtenus n'ont pas une résistance uniforme, ils ne peuvent pas être homogènes et ils ne possèdent pas la résistance désirée. Il en résulte qu'on peut dire qu'on ne peut pas obtenir l'effet d'un produit ayant un véritable renforcement fibreux à orientation unidirectionnel au moyen du procédé classique. Suivant l'invention, on peut réduire au minimum la flexion initiale des fibres en appliquant aux fibres placées dans la ma trière résineuse une tension initiale lors du moulage de la résine & renforcement fibreux unidirectionnel et les produits moulés ainsi obtenus ont une résistance et une qualité uniformes et ils présentent une résistance suffisamment élevée. L'invention a en conséquence pour but de fournir un procédé et un appareil d'un type nouveau pour fabriquer des produits en résine & renforcement de fibres à orientation unidirectionnelle ayant une résistance uniforme et très élevée. Selon l'invention, il est prévu un procédé de fabrication d'un produit en résine synthétique à renforcement de fibres à orientation unidirectionnelle qui est caractérisé en ce qu'on dispose les fibres dans un sens et en ce qu'on polymérise la matière résineuse tout en appliquant une tension donnée aux fibres. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention seront sis en évidence dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la Fig. 1 est une vue partielle en coupe longitudinale & BR - la Fig. 2 est une vue partielle en coupe à plus grande échelle de la paroi tubulaire à la Fig. 1; - la Fig. 3 est une vue partielle en coupe longitudinale a plus grande échelle d'une feuille préimprégnée contenant des charges de remplissage - les Fig. 4 et 5 sont des vues partielles agrandies, en partie en coupe longitudinale, d'un produit tubulaire fabriqué par un procédé classique; - les Fig. 6 et 7 sont des vues partielles agrandies, en partie en coupe longitudinale, d'un produit tubulaire fabriqué selon l'invention;; - la Fig. 8 est une vue latérale, en partie en coupe, d'un mandrin selon l'invention; - la Fig. 9 est une vue latérale du mandrin autour duquel est enroulée une toile imprégnée de résine; - les Fig. 10 A et 10 B sont des vues en coupe transversale et en coupe longitudinale respectivement d'un dispositif de serrage utilisable avec le mandrin des Fig. 8 et 9; - la Fig. 11 est une vue latérale d'un montage utilisé pour la fabrication d'un produit massif selon l'invention; - les Fig. 12 A et 12 B sont des vues en coupe transversa le et longitudinale respectivement d'un dispositif de serrage utilisable avec le montage de la Fig. 11. Les Fig. 1 et 2 représentent une forme de réalisation pré férée d'un produit tubulaire en coupe longitudinale et en coupe transversale respectivement. On a désigné par 1 les fibres et par 2 une matière résineuse. Bien qu'on ait représenté sur les Fig. 1 et 2 une structure stratifiée formée de trois couches, il va de soi qu'on peut choisir de façon appropriée le nombre de couches en fonction des impératifs posés. A cet égard, on remarquera que, lorsque les couches constituées de fibres et d'une matière résineuse sont stratifiées autour d'un mandrin ayant un profil correspondant à la surface intérieure d'un produit tubulaire à fabriquer et lorsque la structure stratifiée est soumise à un traitement pour faire durcir la matière résineuse conformément au procédé classique de fabrication d'un article moulé ayant la structure représentée aux Fig. 1 et 2, la matière r4 sineuse rétrécit et les fibres 1 sont inévitablement détendues ou relachées comme indiqué sur la Fig. 4 pour la raison mentionnée cidessus. Les contraintes agissant sur la résine 2 et sur les fibres 1 ont été indiquées par les flèches 3 et 4.On a indiqué à titre d'illustration une contrainte de compression 3 qui agit sur les fibres 1 et une contrainte de tension 4 qui agit sur la matière rési- neuse 2. Comme mentionné ci-dessus, la contrainte de compression des fibres est limitée et ne peut pas être aussi grande. Lorsqu'un moment de flexion M agit sur le produit tubulaire du fait de son propre poids ou d'une force externe qui lui est appliquée, les fibres 1 placées sur le côté placé sous tension sont étirées alors que les fibres 1' placées sur le côté détendu ou comme primé sont rétractées. Tant que le degré de déformation est relativement faible, seul le taux de relâchement des fibres 1 est dimi- nué et il ne s'exerce pas encore de contrainte de traction imputable à la tension des fibres 1. En conséquence le produit tubulaire résiste à la flexion exercée par la contrainte de traction 4 et la contrainte de compression 4' de la matière résineuse 2. Cependant le module de la matière résineuse, par exemple du "KEVLAR-49" (Marque déposée pour des fibres du type polyamide aromatique fabri quées et vendues par la Société Du Pont Co.,USA)est de 1,3 x 106 K 2 g/an. En conséquence, le produit tubulaire est susceptible de se déformer ou de fléchir tant que la traction n'est pas appliquée aux fibres. A mesure que le moment de flexion M augmente et qu'une tensionest exercée dans les fibres 1 situées sur le c8té tendu en considérant la Fig. 5, la contrainte de compression 3 des fibres est transformée en une contrainte de tension et elle communique efficacement aux fibres une fonction de renforcement. Sur les Fig. 8 à 10, on a représenté un mode préféré d'application du procédé selon l'invention ainsi qu'un appareil pour la fabrication d'un produit tubulaire, pour la mise en pratique de ce procédé. La Fig. 8 montre un exemple d'un mandrin de forme décroissante dont le diamètre varie sur Sa longueur. il est évident qu'on pourrait utiliser suivant les besoins dans le procédé selon l'invention un mandrin d'un diamètre uniforme d'une extrémité à l'autre. On a désigné par 6 un élément principal du mandrin qui comporte un filetage interne 7 dans une extrémité et une gorge 8 sur la périphérie de son autre extrémité. La référence 9 désigne un élément auxiliaire du mandrin. Une tige Il pourvue d'une tête est insérée dans un trou central de cet élément auxiliaire 9 et elle comporte à une extrémité une partie filetée 13 pouvant être vissée dans une collerette 12 solidaire de la tige 11. La partie filetée 13 est vissée dans le trou 7 jusqu'a ce que la collerette 12 vienne s'appliquer contre l'élément principal 6 du mandrin et l'élément auxiliaire 9 du mandrin est déplacé par coulissement jusque dans une position où il entre en contact avec la collerette 12. L'élément auxiliaire 9 comporte également sur sa périphérie une gorge 10.Une feuille -prêliprégnée 14 formée de fibres orientées dans une direction et imprégnée d'une matière résineuse est enroulée autour du mandrin de façon que les fibres soient disposées parallèlement S la direction axiale du mandrin. Sur la-Fig. 9, la feuille 14 enroulée autour du mandrin est fixée par ses extrémités au moyen de pinces 15, 15 qui sont séparables en parties complémentaires, comme indiqué sur la Fig.lOi# au moyen de vis 17. Les positions de blocage correspondent aux gorges 8 et 10. Quand la tête de la tige 11 est tournée dans le sens voulu pour dévisser la partie filetée 13 du trou taraudé 7, l'élément auxiliaire 9 du mandrin est écarté de l'élément principal 6 et une traction est exercée dans les fibres de la feuille préim- prégnée 14. Pour obtenir aisément une tension appropriée, on détermine avantageusement le nombre de tours de la partie filetée 13 au préalable et en fonction de la longueur du mandrin. On soumet alors, pour la polymériser, la feuille préimprégnée 14 à un chauffage ou simplement & la température normale tout en maintenant les fibres sous tension, puis on la refroidit et on la coupe aux endroits désignés par 16, 16' sur la Fig.9. On ouvre alors les pinces 15,15 et on enlève les bavures existant sur le produit tubulaire de façon à dégager la partie intermédiaire tubulaire. On a représenté en coupe à échelle agrandie sur les Fig. 6 et 7 la structure intérieure du produit tubulaire ainsi obtenu. Les fibres 1 sont disposées et fixées linéairement et elles ne sont pas détendues ou relachées. On a indiqué par 3 une contrainte de tension engendre dans les fibres 1 et par 4 une contrainte de compression engendre dans la matière résineuse 2. Par comparaison au procédé classique, on voit que les sens des contraintes sont inversés. La Fig. 7 représente le même produit tubulaire soumis & un moment de flexion M. Même quand la charge est relativement faible, la contrainte de tension 3 est exercée dans les fibres 1 du côté tendu tandis que la contrainte de tension 3' subsiste tout en étant réduite. En conséquence la contrainte s'exerçant dans les fibres agit toujours sur le produit tubulaire de façon correspondante aux forces externes appliquées. Il en résulte que le degré de déformation du produit tubulaire du fait d'une tension ou d'une flexion dépend principalement du module des fibres et la déformation initiale peut être considérablement diminuée. La Fig. 3 représente une feuille préimprégnée comportant des charges de remplissage 5 incorporées à une matière résineuse 2 qui est utilisée dans le cas où cette matière peut être éventuellement soumise à une déformation plastique pendant une longue période sous l'effet de la contrainte de compression exercée sur la matière résineuse 2. Sur la Fig.3, la référence 1 désigne également des fibres. Comme charge 5, on utilise avantageusement des particules fines ayant un module élevé, par exemple des particules creuses obtenues par fusion ou des particules massives d'alumine.Ces particules sont incorporées à la matière résineuse de façon à être adjacentes entre elles et non seulement à conférer à la matière rési neuse 2 une grande résistance à la compression et un module élevé mais également & éviter un fluage qui est éventuellement engendré lorsque la matière résineuse est continuellement soumise à une contrainte. Bien que la description qui précède ait été faite en référence à un procédé de fabrication d'un produit tubulaire creux tel qu'un tuyau ou un tube, il va de soi que le procédé selon l'invention permet la fabrication de produits de différentes sections, creuses ou massives. Pour obtenir un produit massif, on peut avantageusement employer un montage 13 tel que celui de la Fig. 11 et une pince 21 telle que celle représentée aux Fig. 12A et 12B. Le produit massif 20 est étiré S l'aide d'une vis 19. En conséquence, la pince 21 peut maintenir la matière sous une tension donnée sans qu'il se produise un glissement sur cette matière. Les produits obtenus par le procédé selon l'invention ont les excellentes propriétés des matières à renforcement à fibres unidirectionnelles et un très bon rendement et ils sont utilisables Avantageusement comme cannes à pêche ou tuyaux pour l'industrie chimique. REVENDICATIONS 1 - Procédé de fabrication d'un produit en résine synthéti que & renforcement de fibres unidirectionnelles, caractérisé en ce qu'on agence les fibres dans un sens et en ce qu'on effectue un traitement de polymérisation de la matière résineuse tout en appliquant aux fibres une tension donnée. 2 - Procédé de fabrication d'un produit en résine synthétique a renforcement de fibres unidirectionnelles caractérisé en ce qu'on enroule une feuille préimprégnée comportant des fibres orientées dans un sens et imprégnées d'une matière résineuse autour d'un mandrin de manière à disposer les fibres parallèlement à l'axe du mandrin, on applique une tension aux fibres de ladite feuille, on applique à la matière résineuse de ladite feuille un traitement de polymérisation tout en maintenant les fibres sous tension et on retire la feuille polymérisée du mandrin. 3 - Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'opération consistant à appliquer une tension aux fibres est effectuée en assurant une extension longitudinale du mandrin sur lequel ladite feuille est enroulée et fixée. 4 - Appareil pour la fabrication d'un produit en résine synthétique à renforcement à fibres unidirectionnelles, caractérisé en ce qu'il comprend un mandrin, un dispositif de serrage assurant la fixation d'un feuille préimprégnée comportant des fibres orientées dans un sens et imprégnées de matière résineuse, autour du mandrin, et un dispositif pour appliquer une tension aux fibres de ladite feuille. 5 - Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit mandrin est formé de deux éléments, le dispositif d'application de tension étant formé de moyens servant å espacer les deux éléments du mandrin l'un de l'autre afin d'étendre le mandrin dans le sens de la longueur. 6 - Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits moyens pour espacer les deux éléments du mandrin cor- prennent un filetage intérieur formé dans une extrémité d'un élé- ment du mandrin, un trou formé au centre de l'autre élément du mandrin qui est adapté pour etre aligné avec ledit filetage intérieur lors de l'assemblage des éléments, une tige adaptée pour être in troduite à coulissement dans ledit trou et comportant à une extré- mité une tête en saillie et à son autre extrémité une partie filetée adaptée pour être vissée dans ledit filetage intérieur, ladite tige étant pourvue entre ses extrémités d'une collerette venant statiquer contre ladite extrémité du premier élément du mandrin lorsque ladite tige filetée est vissée dans le filetage intérieur. 7 - Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que le dispositif de serrage est formé de deux éléments complémen taires et séparables qui sont adaptés pour être étroitement ajustés dans des gorges prévues chacune dans la périphérie des extrémités du premier et du second élément du mandrin afin de fixer la feuille entre eux.