Brevet FR2487499A1 — publié le 19820129

Flèche en aluminium renforcé de fibres La présente invention concerne les flèches, et plus particulièrement les flèches en aluminium renforcé de fibres. La conception d'une flèche nécessite un équilibrage délicat des propriétés physiques et des caractéristiques structurelles de la tige ou de la hampe de la flèche. Par exemple, dans la conception physique d'une flèche, il est souhaitable de réduire au minimum le poids et le diamètre de la hampe pour accroître la vitesse de la flèche et réduire la traînée aérodynamique. En même temps, il est souhaitable, du point de vue structurel, d'augmenter au maximum la rigidité de la flèche pour réduire la flexion de la hampe qui se produit lorsque la flèche est soumise aux forces d'accélération de l'arc de tir. Une flexion excessive risque de provoquer une distorsion permanente de la hampe de la flèche, de ralentir la flèche, et d'avoir pour résultat une médiocre précision de tir. En outre, pour améliorer encore la précision du tir, la hampe doit impérativement faire preuve d'un amortissement rapide des oscillations de flexion induites par l'arc qui résultent d'un phénomène connu sous le nom de "paradoxe de l'archer". En conséquence, une hampe ayant un haut degré de "mémoire" élastique est souhaitable. Les hampes de flèche doivent également posséder une résistance aux chocs suffisante pour résister aux forces d'impact sur la cible sans se casser ou se déformer d'une manière permanente. Tout au long de l'histoire antérieure du tir à l'arc, les flèches étaient traditionnellement faites en bois. Dans un effort incessant pour améliorer l'uniformité, la durabilité et la précision des flèches, des matériaux modernes ont été utilisés pour leur construction. L'emploi de tubes d'aluminium et, plus récemment, de fibres de verre, pour la construction des hampes de flèche, s'est traduit par des améliorations significatives de la conception des flèches. Cependant, dans la conception des flèches selon la technique antérieure, une augmentation de la rigidité de la hampe et du degré de mémoire élastique a imposé une hampe de flèche plus lourde et de plus grand diamètre, compromettant ainsi ses caractéristiques de vitesse et de trajectoire. La présente invention a en conséquence pour objets de procurer une flèche nouvelle et améliorée, une flèche en aluminium renforcé de fibres, et une flèche de poids et de diamètre minimaux qui possède la rigidité et le degré de mémoire élastique nécessaires pour la précision du tir. On atteint les objectifs précédents de l'invention, ainsi que d'autres, avec une flèche dont la hampe comporte un noyau ou une partie centrale formé(e)d'un tube métallique creux et comportant un matériau de renfort appliqué sur la surface du tube. Dans la forme de réalisation préférée, le noyau est formé d'un tube d'aluminium creux. Ce tube d'aluminium est renforcé par une couche extérieure de fibres à grande résistance mécanique, qui est appliquée, sous la forme d'un composite ou complexe de matrice de fibres, sur toute la surface extérieure du tube d'aluminium. Il a été constaté que cette combinaison de matériaux procure une construction tubulaire dont les propriétés physiques permettent la construction d'une hampe de flèche améliorée. Le choix et l'optimisation des propriétés physiques de la flèche sont obtenus par des variations dimensionnelles du noyau d'aluminium et de la couche de fibres en combinaison avec des variations de l'épaisseur et de l'orientation des fibres de la couche de renfort. Dans une autre forme de réalisation de l'invention, on utilise une couche intérieure de fibres de renfort que l'on applique sur toute la surface interne d'un tube d'aluminium. On peut utiliser cette couche de renfort interne à la place ou en plus de la couche de renfort externe, pour la construction d'une hampe de flèche. D'autres objectifs, caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture du mémoire descriptif pris conjointement avec les dessins annexés, sur lesquels les mêmes repères numériques désignent les mêmes éléments sur les différentes figures. La Figure 1 est une vue représentant une flèche construite conformément à l'invention; La Figure 2 représente une vue en coupe agrandie de la hampe de la flèche prise suivant la ligne 2-2 de la Figure 1; La Figure 3 représente une vue en perspective découpée partielle agrandie de la hampe de flèche de la Figure 1, montrant les couches successives partiellement enlevées La Figure 4 représente une vue en coupe agrandie de la hampe de flèche prise comme sur la Figure 2 et montrant une autre forme de réalisation de l'invention; et La Figure 5 représente une vue en coupe agrandie de la hampe de flèche prise comme sur la Figure 2 et montrant encore une autre forme de réalisation de l'invention. Sur la Figure 1, on voit une flèche 10 de tir à l'arc (sans les plumes ou empennage), comprenant une tige ou hampe 20, une tête ou pointe 22 et une encoche 24. Dans la forme de réalisation préférée, la hampe 20 se compose d'un noyau creux en aluminium 26, représenté sur la Figure 2, que l'on forme en étirant successivement un tube d'alliage d'aluminium jusqu'à obtenir le diamètre extérieur, l'épaisseur de p.roi et la longueur de hampe voulus. Des alliages d'aluminium types utilisés pour cette application sont l'alliage type 2024 et l'alliage type 7075. Le procédé qui consiste à utiliser un tube étiré donne un noyau ayant une épaisseur de paroi et un diamètre de paroi extrêmement constants sur toute la longueur de la hampe, et est identique à celui que l'on utilise pour produire selon la technique antérieure des hampes de flèche en aluminium creux. Un intervalle de dimensions type pour le noyau d'aluminium 26 comprend des longueurs de 60 cm à 85 cm, des diamètres extérieurs de 5 mm à 10 mm environ, et des épaisseurs de paroi de 0,13 à 0,4 mm environ. Les dimensions réelles choisies pour un modèle de flèche donné dépendent de l'utilisation finale de la flèche, comme on le verra plus loin. La hampe 20 de la flèche comporte en outre, dans la forme de réalisation préférée, une couche externe 28 de fibres de renfort liées à la surface externe du noyau d'aluminium 26, comme on le voit sur la Figure 2. Cette couche externe 28 peut se composer de fibres de renfort noyées dans une matrice de résine. On peut utiliser de nombreux matériaux de fibres différents tels que le graphite, le bore, le carbone ou le verre dans cette application, mais il a été constaté que les fibres de carbone telles que les fibres "TORNEL" type 300/3K fabriquées par la société Union Carbide, orientées dans une matrice de résine époxy thermodurcissable, telle que la résine type 934 fabriquée par la société Fiberite Corporation, Winona, Minnesota, Etats- Unis d'Amérique, procurent un composite ou complexe optimal de matrice de fibres pour cette application. Une flèche construite de cette manière possède une excellente mémoire élastique et une bonne résistance aux chocs. Plusieurs des paramètres de conception d'une flèche sont influencés par le type d'arc de tir utilisé pour tirer la flèche. Par exemple, la longueur de la hampe de flèche est fonction de la taille de l'archer et de la forme de l'arc; et la rigidité de la hampe de flèche est fonction de la longueur de la hampe et de la force communiquée à la flèche par l'arc. Une force d'arc plus grande nécessite une hampe de flèche plus rigide pour réduire la flexion initiale de la hampe lorsqu'on détend l'arc. La rigidité d'une hampe de flèche a traditionnellement été mesurée comme étant la flexion de la hampe sous l'effet d'un poids normalisé placé au centre de la hampe. La détermination de la longueur et de la rigidité requises de la hampe de flèche impose à son tour le diamètre et l'épaisseur de paroi de la hampe qui sont nécessaires pour répondre à ces conditions. Les hampes de flèche en aluminium renforcé de fibres qui sont construites conformément à l'invention ont un diamètre extérieur de hampe qui est inférieur de 20 à 25 % au diamètre extérieur requis d'une hampe en aluminium non renforcé de longueur et de rigidité comparables. Le renforcement de la hampe par des fibres se traduit également par une réduction de 20 à 25 % du poids de la hampe, ce qui donne une augmentation de 10 à 15 % de la vitesse initiale de la flèche, par rapport à une hampe de flèche non renforcée ayant la même longueur et la même rigidité. Une diminution du diamètre extérieur de la hampe a en outre pour effet de réduire la traînée aérodynamique pendant le vol de la flèche, avec pour résultat des trajectoires plus basses. Il a également été constaté que la couche de renfort de fibres a pour effet d'amortir rapidement les oscillations de flexion et les modes de courbure induits pendant la détente de l'arc. Il est connu de l'homme du métier que les forces qui s'exercent sur la hampe de la flèche pendant la détente de l'arc font plier la hampe et lui font subir plusieurs cycles d'oscillation autour de l'axe de vol final de la flèche. La couche de fibres de renfort absorbe l'énergie élastique, ce qui fait s'amortir rapidement les oscillations de la hampe, si bien que la flèche prend son attitude de vol réelle à une courte distance de l'arc. Il en résulte une amélioration de la précision du tir. La forme de réalisation de l'invention qui est représentée sur la Figure 2 peut être obtenue par un procédé qui consiste à étirer successivement un tube d'alliage d'aluminium de façon à obtenir la longueur, le diamètre extérieur et l'épaisseur de paroi requis pour le noyau d'aluminium creux 26 de la hampe de flèche 20. On étire le tube jusqu'à une longueur qui est généralement plus longue de 2,5 à 5 cm environ que la longueur finale voulue pour la hampe 20. On attaque chimiquement la surface extérieure du noyau 26 pour enlever toute couche d'oxyde, et on applique uniformément sur la surface ainsi attaquée une fine pellicule d'adhésif par contact. On enroule ensuite une feuille de composite ou complexe 28 de matrice de fibres autour de la surface extérieure du noyau 26. Ce complexe 28 de matrice de fibres se compose de fibres de carbone orientées dans une matrice de résine époxy thermodurcissable. On peut faire varier l'orientation des fibres par rapport à l'axe géométrique du noyau 26 de façon à obtenir des caractéristiques de renfort différentes pour la hampe 20. La feuille du complexe 28 de matrice de fibres est généralement épaisse de 0,075 à 0,1 mm environ, la longueur de la feuille étant égale à la longueur du noyau 26, si bien qu'un enroulement simple forme une couche uniforme de complexe sur la surface externe du noyau 26. On peut augmenter le nombre d'enroulements et donc l'épaisseur du complexe de renfort 28 pour obtenir une plus grande rigidité de la hampe 20. Un procédé permettant de faire varier l'orientation des fibres consiste à enrouler la hampe dans des couches successives de plusieurs feuilles de complexe de matrice orientées chacune de façon à donner l'angle voulu d'orientation des fibres. Par exemple, une première couche peut contenir des fibres orientées suivant un angle de 300 par rapport à l'axe géométrique du noyau.26, et une seconde couche peut contenir des fibres orientées parallèlement à l'axe géométrique du noyau 26. On enroule ensuite en spirale, par-dessus les couches du complexe 28, une pellicule de matière plastique thermorétractable formée d'un matériau tel que le "TEDLAR", fabriqué par la société Dupont Corporation. On chauffe ensuite cet ensemble à 1750C pendant une heure pour provoquer le thermodurcissement de la résine époxy. Pendant le durcissement, la pellicule de matière plastique enroulée en spirale se rétracte autour de la matrice de résine, en appliquant une pression suffisante pour éliminer les vides et donner une densité plus uniforme au complexe de renfort 28. A la fin du durcissement, on enlève la pellicule de matière plastique thermorêtractable et on meule la hampe 20 sans pointes jusqu'à obtenir les dimensions finales voulues pour le diamètre extérieur. Le meulage sans pointes assure également une épaisseur de paroi uniforme autour de la circonférence de la hampe 20, en donnant une flèche qui est équilibrée par rapport à son axe géométrique. On coupe la hampe 20 à sa longueur finale en enlevant l'excès de matière à ses deux extrémités. Cela garantit que toute irrégularité d'enroulement qui peut se produire aux extrémités de la hampe 20 est supprimée. Les propriétés d'un exemple particulier de la couche de renfort de fibres thermodurcie comprennent un module d'élasticité de Young de 11.970 kg/mm2 une résistance à la flexion de 178 kg/mm, et une résistance à la traction de 146 kg/mm On munit la hampe terminée 20, d'une manière classique, d'une pointe de flèche 22 et d'une encoche de flèche 24 convenables pour former la flèche 10 en aluminium renforcé de fibres qui est représentée sur la Figure 1. La Figure 3 représente une vue en perspective découpée d'une hampe 20 construite conformément à la forme de réalisation qui est représentée sur la Figure 2. Une section droite d'une autre forme de réalisation de l'invention est représentée sur la Figure 4. Dans cette configuration, le renfort de fibres est sous la forme d'une couche interne 30 de fibres de renfort liées à la surface interne du noyau d'aluminium 26. Cette couche interne 30 peut se composer du même complexe de matrice de fibres que celui qui a été décrit ci-dessus. On peut obtenir la forme de réalisation de l'invention qui est représentée sur la Figure 4 en produisant un tube creux à partir du complexe de matrice de résine ayant des dimensions appropriées pour être introduit dans le noyau d'aluminium 26. On fait ensuite thermodurcir l'ensemhle pour lier la couche 30 de matrice de résine au noyau 26. Une section droite d'encore une autre forme de réalisation de l'invention est représentée sur la Figure 5. Cette configuration représente la combinaison des formes de réalisation qui sont représentées sur les Figures 2 et 4 (décrites en détail cidessus) et permet d'obtenir une hampe de flèche 20 ayant un noyau d'aluminium 26, une couche exter- ne 28 de renfôrt de fibres et une couche interne 30 de renfort de- fibres. La Figure 3 représente une vue découpée d'une hampe 20 construite conformément à la forme de réalisation qui est représentée sur la Figure 2. REVENDICATIONS 1. Hampe de flèche, caractérisée en ce qu'elle comprend: un noyau formé d'un tube métallique creux; et un matériau de renfort appliqué sur une surface du noyau. 2. Hampe de flèche selon la revendication 1, caractérisée en ce que le matériau de renfort appliqué sur une surface du noyau comporte au moins une couche externe de fibres de renfort appliquée sur la surface externe du noyau. 3. Hampe de flèche selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le matériau de renfort appliqué sur une surface du noyau comporte au moins une couche interne de fibres de renfort appliquée sur la surface interne du noyau. 4. Hampe de flèche selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les fibres d'au moins une couche sont orientées parallèlement à l'axe géométrique du tube métallique creux. 5. Hampe de flèche selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les fibres d'au moins une couche sont orientées suivant un angle de 300 par rapport à l'axe géométrique du tube métallique creux. 6. Hampe de flèche selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les fibres d'une couche de renfort sont noyées dans une matrice de résine. 7. Hampe de flèche selon la revendication 6, caractérisée en ce que les fibres sont des fibres de carbone, et en ce que la matrice de résine est une matrice de résine époxy. 8. Hampe de flèche selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le tube métallique creux est en aluminium.