Brevet FR2490951A1 — publié le 19820402

L'invention se rapporte à un procédé pour fabriquer un élément de membre artificiel et en particulier à un procédé de moulage d'un élément de structure d'une jambe artificielle en matière plastique renforcée par fibres. Les matières plastiques renforcées par fibres sont connues comme matières légères à haute résistance avec lesquelles on peut produire divers articles moulés. La matière plastique renforcée par fibres de carbone en parti- culier est connue pour son rapport relativement élevé de sa résistance au poids. Dans un procédé connu pour produire un moulage en matière plastique renforcée par fibres de carbone, des faisceaux de fibres de carbone imprégnés de résine sont mis en place dans un moule ouvert et sont ensuite chauffés et comprimés parpoussée d'un organe rigide de fermeture de moule sur les fibres mises en place et par application de la chaleur au moule pour durcir la résine. Ce procédé a été largement utilisé mais il est limité au moulage de formes relativement simples. Un but de la présente invention est de proposer un procédé de fabrication d'un élément de structure en matière plastique renforcée par fibres ayant une forme relativement complexe. Selon l'invention, on propose un procédé de fabrica- tion d'un élément de structure d'un membre artificiel, ce procédé comprenant les opérations qui consistent à établir une matière composite de fibres de renforcement et de matière plastique, à% placer la matière composite entre un mandrin intérieur expansible et un moule extérieur rigide et à provo- quer l'expansion du mandrin pour comprimer la matière 3 composite entre le mandrin et le moule. La matière-composite est de préférence placée sur le mandrin expansible de façon que, lorsque le mandrin est soumis à l'expansion, la matière composite soit comprimée entre le mandrin et le moule. Le mandrin est de préférence un élément en caoutchouc de silicone moulé qui est creux de façon à pouvoir être gonflé à l'inté- rieur du moule extérieur. Les fibres de renforcement sont de préférence des fibres de carbone. L'invention comprend aussi un appareillage formant moule pour fabriquer un élément de membre artificiel, cet appareillage comprenant un moule extérieur rigide en deux parties et un mandrin.intérieur expansible, la surface intérieure du moule extérieur et les surfaces extérieures du mandrin intérieur étant formées pour coopérer à la mise en forme de l'élément quand une matière composite à fibres de renforcement et résine est comprimée entre le moule et le mandrin par l'expansion du mandrin. L'invention comprend aussi un élément d'un membre artificiel quelconque produit par le procédé selon l'invention. Le procédé de l'invention peut être utilisé pour produire un élément de structure moulé renforcé par fibres ayant un espace intérieur partiellement fermé, par exemple un élément à profil en U ou tubulaire. L'utilisation d'un mandrin expansible permet de produire un tel élément de structure ayant une forme interne relativement complexe. Le mandrin est moulé de préférence en une pièce et correspond approximativement à la forme intérieure de l'élément de structure à produire de sorte que la matière composite peut être mise en place sur la surface du mandrin suivant une disposition requise et.à 1' épaisseur requise. Le mandrin et la matière composite appliquée sont placés dans une moitié du moule extérieur qui est alors fermé par montage de l'autre moitié du moule extérieur par dessus le mandrin et la matière composite. On décrira maintenant l'invention à titre d'exemple en référence au dessin annexé-dans lequel': la figure 1 est une vue en perspective d'un élément de structure d'un tibia de jambe artificielle produit par le procédé de l'invention; 30. la figure 2 est une vue en perspective d'un mandrin * intérieur expansible; la figure 3 est une vue en perspective d'une moitié d'un moule extérieur rigide; la figure 4 est une coupe transversale agrandie à travers le mandrin-avec des nappes d'une matière composite de fibres et de résine appliquées sur trois côtés du mandrin pour former la partie à section en U de l'élément de la figure 1 249095 1 les figures 5, 6 et 7 sont des vues en plan de trois formes différentes de nappes de la matière composite utilisée pour constituer l'élément de la figure 1; et la figure 8 est un schéma montrant la succession des nappes de matière composite sur le mandrin expansible. En référence à la figure 1, un élément formant le tibia d'une jambe artificielle a une partie supérieure 1 présentant une coupe à trois côtés d'un profil en Ut une partie creuse de transition 2 et une partie creuse inférieure * 3 à section circulaire. L'extrémité du haut de la partie supérieure 1 est formée pour loger des organes de forme correspondante d'un châssis de genou (non représenté) qui fait partie d'un mécanisme de l'articulation du genou. Le côté ouvert de la partie supérieure 1 est sur la face * arrière du tibia ou au voisinage quand ce tibia fait partie d'une jambe artificielle assemblée et il permet, par exemple, la mise en place d'un mécanisme.de commande d'oscil- lation ou de verrouillage du genou entre l'arrière du châssis de genou et un point de pivotement juste au-dessus de la partie de transition 2. La partie inférieure 3 est formée pour s'attacher à un pied et à un ensemble de cheville. L'élément formanttibia est moulé dans une matière composite à fibres de carbone imprégnées de résine. Les propriétés de cette matière sont bien connues et sa résistan- * ce est telle qu'on peut utiliser une épaisseur de paroi relativement mince de sorte que l'élément est d'un poids relativement léger. D'après la figure 1, il est clair qu'il y a deux changements principaux dans la coupe transversale d'une extrémité de l'élément formant le tibia à l'autre extrémité, que la partie 3 est creuse à coupe en contour fermé et que les axes longitudinaux des parties 1 et 3 font un angle entre eux. L'élément formant tibia est par suite d'une forme relativement complexe pour un élément moulé renforcé par fibres et demande une technique de moulage plus sophistiquée que celle utilisée par exemple pour le moulage d'un élément en forme de simple barre. Le procédé préféré pour fabriquer l'élément formant tibia comprend premièrement le moulage d'un mandrin intérieur 4 en caoutchouc de silicone creux et expansible par gonflage sous la forme représenté sur la figure 2. Cette forme correspond approximativement à la forme intérieu- re requise pour l'élément 1 formant le tibia. Le mandrin 4 est soumis à l'expansion par introduction d'air sous pression au moyen d'un tuyau 5 fixé dans l'extrémité 5A du mandrin par une pince à tuyau 5B. On voit d'après la figure 2 que le mandrin 4 a une partie 4A présentant une section de forme générale carrée et une partie 4B à section circulaire, ces parties étant jointes par une partie de transition 4C. De plus, les axes longitudinaux des parties 4A et 4B font entre eux un angle correspondant à l'angle entre les axes des parties 1 et 3 de l'élément formant le tibia. L'extrémité de droite du mandrin -est fermée. La figure 4 est une coupe agrandie de la partie de mandrin 4A et montre que le mandrin est creux et contient un noyau rigide 14 sur lequel 'le mandrin en caoutchouc de silicone s'adapte-quand il n'est pas gonflé, c'est-à-dire quand il est dans l'état de non-expansion. Le noyau 14 a un passage central 14A pour recevoir l'air comprimé amené par le tuyau 5. Le noyau-a aussi une pluralité de passages de branchement latéraux 14B pour répartir l'air dans l'intérieur du mandrin quand celui-ci doit être soumis à l'expansion. La figure 3 montre la moitié inférieure 8 d'un moule extérieur rigide; la moitié supérieure n'est pas représen- tée mais serait d'une forme correspondante. La moitié inférieure 8 du moule a des surfaces de jonction 8A et la moitié supérieurmdu moule aurait des surfaces semblables. Les moitiés de moule sont faites en alliage d'aluminium et la surface intérieure 9 est polie. On comprendra que la surface intérieure 9 a des parties 9A, 9B et 9C qui corres- pondent respectivement aux parties 1, 2 et 3 de l'élément formant le tibia et aux parties 4A, 40 et 4B du mandrin 4. La longueur des moitiés de moule est telle que, quand le mandrin 4 est enfermé dans le moule, le tuyau 5, l'extrémité de mandrin 5A et la pince à tuyau 5B soient à l'extérieur des moitiés de moule0 Chaque moitié de moule est fermée à une extrémité par une plaque 10. L'élément formant tibia est constitué par un certain nombre de nappes ou couches d'étoffe 11 tissée en fibres de carbone et imprégnées qui sont appliquées sur la surface du mandrin comme on l'a représenté schématiquement sur la figure 4. La matière de départ est un tissu en fibres de carbone.préimprégné par une résine époxyde, ayant des fibres orientées à angle droit les unes par rapport aux autres comme on le décrira ci-après en référence à la figure 8. Elle est légèrement collante et sa consistance est telle qu'elle restera en position quand elle sera appliquée autour du mandrin 4. Des pièces de nappes préimprégnées sont coupées suivant un tracé prédéterminé et appliquées ensuite autour du mandrin 4. Les tracés de nappes sont représentés aux figures 5 à 7. La nappe 15 (figure 5) est formée pour s'adapter sur les trois c8tés de la partie de mandrin 4A, éventuellement pour former (avec d'autres nappes de même tracé) la partie supérieure 1 de l'élément formant le tibia. La nappe 15 a des parties de liaison ou de transition 15A, 15B et 15C 2G; séparées par deux fentes 16. Ces parties -15A, 15B et 15C s'étendent et s'adaptent sur la partie de mandrin 4C. La nappe 17 (figure 7) est formée pour s'adapter autour de la partie de mandrin circulaire 4B avec des parties de liaison ou de transition 17A (formées par des fentes 17B) s'étendant, par-dessus les parties 15A, 15B et 15C, sur la partie de mandrin 40. La nappe plus petite 18 (figure 6) est aussi placée sur la partie de mandrin 40 et dans l'élément moulé final elle forme la partie 2A de la partie 2, voir la figure 1. Des nappes préimprégnées successives sont appliquées sur le-mandrin 4 avec orientation des fibres de chaque nappe selon un angle prédéterminé avec celles de la couche précédente. Plus particulièrement, et en référence à la figure 8, une première couche 19 peut être appliquée avec ses fibres orientées parallèlmeenttperpendiculairement, c'est-à-dire à 0 et à 90 , par rapport à l'axe longitudinal X - X de la partie 1, 2 ou 3 en question, puis on place la couche suivante 20 avec ses fibres orientées à +45 et -45 avec l'axe. Cela peut être suivi d'une autre couche 21 avec fibres à +45 , puis d'une autre couche 22 avec fibres à 0 , 90 de sorte qu'on utilise par exemple quatre couches de tissu'préimprégné pour toutes les parties de l'élément formant le tibia. Les bords de chaque couche ou nappe préimprégnée sont disposés pour chevaucher les couches ou nappes adjacentes et les couches ou nappes successives sont décalées les unes par rapport aux autres pour établir une répartition pratiquement uniforme de discontinuités dans le matériau composite. Dans les régions de fortes tensions éventuelles, on - prévoit de préférence des couches supplémentaires de tissu préimprégné, par exemple dans la partie de transition 2. On peut utiliser en cet emplacement huit couches ou davantage. Dans la partie supérieure 1 qui a deux bords longitudinaux, une résistance supplémentaire est assurée par le repliage d'une ou de plusieurs nappes 7 comme on l'a représenté sur la figure 4o L'opération de pose peut être complétée par l'appli- cation d'une nappe ou couche extérieure d'une matière compo- site renforcée par fibres de verre qui améliore la résistance du tibia fini aux impacts latéraux et permet de localiser plus facilement toutes fractures de sa structure. Ce dernier avantage se manifeste par le fait qu'une fracture dans une nappe de matière composite renforcée par fibres de verre apparaît comme une-ligne blanche tandis qu'une fracture analo- gue serait à peu près invisible dans la matière composite à fibres de carbone. Le mandrin avec les nappes préimprégnées sur lui est alors placé dans la moitié 8 du moule extérieur fendu (figure 3) L'autre moitié de moule est ensuite montée sur le mandrin.4 et tout l'ensemble est ensuite placé par exemple dans une presse hydraulique qui a un moyen pour chauffer les plaques de la presse. Une conduite d'air (non représentée) venant d'un compresseur est raccordée au tuyau 5 et les plaques de la presse sont chauffées jusqu'à 1500 C; quand la température du moule atteint 70 QC, une pression d'air de 138 kPa est appliquée au mandrin gonflable expansible 4 par le tuyau 5 et les passages 14A, 14B pour assurer l'expansion du mandrin 4 et aussi l'expansion des nappes ou couches préimprégnées sur lui de sorte qu'elles sont comprimées contre les surfaces du moule et du mandrin. Les nappes ou couches de matière composite sont durcies pendant une durée de 2 heures à C avec application de la pression au mandrin. On voit que, puisque la matière composite est soumise à l'expansion vers l'extérieur par l'expansion du mandrin 4, le diamètre de la partie inférieure 3 augmente a partir de son diamètre pendant la pose des nappes préimprégnéeso Cela évite largement la distorsion des nappes préimprégnées par plissement comme cela pourrait se présenter si, par exemple, on utilisait un autre procédé dans lequel les nappes préimprégnées seraient comprimées de l'extérieur vers l'inté- rieur sur un mandrin intérieur rigide. Après durcissement, le mandrin 4 est dépressurisé et l'élément formant le tibia est enlevé du moule. Comme le mandrin 4 est flexible, la formation d'angle entre les deux i parties 1 et 3 de l'élément formant le tibia n'emp9che pas l'enlèvement du mandrin. La résine en excès est enlevée de l'élément formant le tibia qui est alors prêt pour son assemblage dans une jambe artificielle. R E V E N D I C A T I 0 N S. 1o Procédé pour fabriquer un élément d'un membre artificiel en utilisant unematière composite plastique renforcée par fibres dans un moule, caractérisé par le fait que la matière composite est comprimée entre un mandrin intérieur expansible (4) et un moule extérieur rigide (8). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la matière composite est placée sur le mandrin expansible (4) de façon que, quand le mandrin (4) est soumis à l'expansion, la matière composite est elle-meme soumise à l'expansion et comprimée entre le mandrin (4) et le moule (8). 3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendi- cation 2, caractérisé par le fait que le mandrin (4) est un élément moulé creux gonflable en caoutchouc de silicone. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 & 3, dans lequel les fibres de renforcement sont des fibres de carbone (19, 20, 21, 22). 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la matière composite comprend une pluralité de nappes tissées préimprégnées (15, 17, 18) ayant chacune des fibres 'de renforcement (19 à 22) tissées dans une nappe de matière plastique. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé par le fait que l'élément est allongé et a une direction longitu- dinale (I - X) et caractérisé de plus par le fait que la pluralité de nappes (15, 17, 18) comprend au moins deux nappes dont chacune a des fibres de renforcement (19 à 22) disposées à angle droit dans les nappes. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé par le fait que des fibres (19) d'une nappe sont disposées parallèlement à la direction longitudinale,(X - X) et que des fibres (20) de l'autre nappe sont disposées diagonalement par rapport à ladite direction (X - X). 8. Procédé selon la revendication 5, caractérisé par le fait que la matière composite comprend comme couche extérieure une nappe de matière plastique renforcée par des fibres de verre. 9. Appareillage formant moule pour fabriquer un 249O951 élément de membre artificiel, comprenant un moule extérieur rigide en deux parties et un mandrin intérieur et caractérisé par le fait que le mandrin intérieur (4) est expansible et que la surface intérieure (9) du moule extérieur (8) et la surface extérieure (4A, 4B, 4C) du mandrin intérieur sont formées pour coopérer en constituant l'élément (1, 2, 3) quand une matière composite de fibres de renforcement et de résine est comprimée entre le moule (8) et le mandrin (4) par l'expansion du mandrin (4). 10. Appareillage formant moule selon la revendica- tion 9, caractérisé par le fait que le mandrin intérieur (4) est un élément moulé creux gonflable en caoutchouc de silicone. 11. Elément d'un membre artificiel quelconque produit par un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 ou par un appareillage selon la revendication 9 ou la revendication 10.