Brevet FR2492354A1 — publié le 19820423

La présente invention concerne d'une manière générale un procédé de fabrication d'un article par enrou- lement de filaments et plus précisément un tel procédé utilisé pour la fabrication d'articles à sectkrn transver- sale non circulaire tels que des structures aérodynamiques et autres semblables. Dans les procédés de fabrication modernes, pour la fabrication d'articles de résistance améliorée, les techniques d'enroulement de filaments sont souvent utilisées. impliquent De telles techniques/I'nroulement de filaments de haute résistance disposés dans une matrice de matière liante autour d'un gabrit ou mandrin ayant une forme correspondant généralement à la forme exigée pour l'article fini, et on durcit ensuite la matière de la matrice. Dans le cas de la fabrication d'un article allongé tel qu'une structure aérodynamique au moyen de telles techniques d'enroulement de filaments, lorsque les filaments sont enroulés autour d'un gabarit, le gabarit et les filaments sont réciproque- ment déplacés l'un par rapport aux autres le long de l'axe longitudinal ou axe d'enroulement du gabarit, en formant ainsi une pluralité de couches de matière filamentaire, les filaments de chaque couche étant angulairement décalés par rapport aux axes longitudinal et transversal du gabarit ainsi que des filaments des couches adjacentes. Pour réaliser cette disposition réciproque des filaments en un procédé continu, le long de la forme lorsque les filaments sont enroulés, il est de pratique courante d'utiliser des "pièces d'inversion" c'est-à-dire inversant la directbn du mouvement d'enroulement ou des-anneaux d'enroulement aux extrémités du gabarit ou du segment de gabarit à enrou- ler, les tours aux extrémités des diverses couches se re- couvrant étant conçus en enroulant les filaments par-dessus les bords et autour de la surface externe de l'anneau d'enroulement tout en inversant la direction du déplacement longitudinal entreles fibres et le gabarit. Dans la technique connue, les "pièces d'inversbn" fonctionnant comme il est décrit ci-dessus, étaient de forme circulaire o en disque, et l'angle de décalage entre les filaments des couches adjacentes et l'écartement 2- entre des tours individuels de filaments dans une seule couche définissent un mouvement réciproque longitudinal uniforme entre les filaments et le gabarit lorsque les filaments sont enroulés autour du gabarit. C'est-à-dire, l'orientation angulaire et l'écartement entre les tours de filaments dans les différentes couches filamentaires définissent, du fait du mouvement réciproque uniforme entre les filaments et le gabarit, une multiplicité de sécantes de longueur et disposition uniformes le long de la surface de la pièce d'inversion. Si le gabarit a une forme de section transversale o la largeur de la section transversale est supérieure à l'épaisseur, comme c'est le cas lorsque la section transversale est définie par une forme aérodynamique, on comprendra que dans de tels procédés connus, un pont substantiel se produit entre le bord externe d'une pièce d'inversion et la surface du gabarit ou les couches filamentaires enroulés autour de celle-ci. Un tel pont est lien entendu, de la matière gaspillée qui doit être enlevée de l'article fini par des opérations d'usinage ultérieures ou autres. En outre, le pont exige que le dispositif d'enroulement soit écarté de l'endroit de l'extrémité de l'article fini. Donc, l'installation utilisée pour enrouler les filaments sur le gabarit doit être capable de se déplacer plus qu'il n'est nécessaire si un tel pont pouvait être évité. On doit, bien "tendu, comprendre que cette capacité de déplacement exagérée augmen- te la dimension et les dépenses pour de tels installations d'enroulement et, par conséquent, les coûts de fabrication de l'article fini. Il est, par conséquent, un but de la présente invention de mettre en oeuvre un procédé de fabrication d'un article par enroulement o le pont de filaments entre une pièce d'inversion et un gabarit associé o les fibres enroulées sur celui-ci, est réduit au minimum. Il est un autre but de la présente invention de réaliser un tel procédé o les capacités de déplacement longitudinal exigées de l'installation d'enroulement de filaments soient réduites au minimum. Il est un autre but de l'invention de réaliser un -3- tel procédé o le gaspillage de matière et le prix de l'article réalisé sont réduits au minimum. Selon la présente invention, ces buts et autres sont obtenus au moyen d'un procédé perfectionné pour la fabrication d'un article réalisé par enroulement de fila- ments, cet article ayant une section transversale non cir- culaire, selon lequel on enroule une matière filamentaire en une pluralité de couches se recouvrant les unes les autres entre une paire de pièces d'inversion écartées se conformant généralement à la forme en section transver- sale du gabarit de sorte que le pont entre le bord d'une pièce d'inversion et le gabarit ou couches de fibres enroulées, est réduit au minimum, augmentant ainsi la facilité de fabrication et l'économie de la construction de l'article enroulé et réduisant au minimum les coûts de l'installation utilisée dans le procédé d'enroulement. Lorsqu'une pièce d'inversion est utilisé aux extrémités du gabarit, et que le gabarit n'a pas de bords nets, la pièce d'inversion peut généralement être de dimensions similaires à celles de la section transversale de l'extré- mité du gabarit de sorte que le pont filamentaire est sensiblement éliminé. Lorsque le gabarit est utilisé entre les extrémités du gabarit ou avec un gabarit ayant un bord net, la-pièce d'inversion, tout en se conformant à la forme de la section transversale du gabarit à l'endroit de la pièce d'inversion, s'étend légèrement vers l'exté- rieur par rapport au gabarit. Dans le mode de réalisation préféré, l'enroulement de la matière filamentaire autour du gabarit est obtenu par une rotation du gabarit par rapport à la matière filamentaire, une telle rotation du gabarit étant réalisée par la rotation d'un arbre sur lequel le gabarit est monté. L'arbre s'étend'vers l'exté- rieur à partir des surfaces externes des pièces d'inver- sion à l'extrémité, le mou dans la matière filamentaire enroulée autour dela pièce d'inversion étant absorbé par un enroulement de la matière filamentaire au moins par- tiellement autour de l'arbre lorsque la matière est enrou- lée autour de la surface externe de la pièce d'inversion. Pour que l'invention puisse être mieux comprise, -4- référence est faite aux figures suivantes o: La figure 1 est une vue en perspective d'un article réalisé par un procédé d'enroulement de filaments selon la présente invention. La figure 2 est une vue en plan d'une pièce d'in- version circulaire connue dans la technique, utilisée pour l'enroulement de filaments pour réaliser une forme aérodynamique. La figure 3 est une vue de côté d'une structure aérodynamique enroulée selon le procédé d'enroulement représenté dans la figure 2. La figure 4 est une vue en plan d'une pièce d'inversion se conformant généralement à un gabarit utiU sé pour l'enroulement de filaments d'une forme aérodynamique selon la présente invention. La figure 5 est une vue de côté d'une structure aérodynamique enroulée selon le procédé représenté dans les figures 1 et 4. La figure 6 est une vue en plan d'une pièce d'in- version utilisée entre les extrémités d'un gabarit autour duquel les filaments sont enroulés selon le procédé de la présente invention. La figure 7 est une vue en perspective de la disposition d'une pièce d'inversion représentée dans la figure 6 sur un gabarit à réaliser selon la présente invention. La figure 1 représente un procédé de fabrication d'un article ayant une section transversale allongée non circulaire par la mise en oeuvre du procédé selon la pré- sente invention, dans le présent cas, l'article étant une pale allongée aérodynamique telle que celles utilisées dans les grandes turbines éoliennes. Le procédé est mis en oeuvre sur un dispositif d'enroulement 10 comprenant un arbre rotatif 13 sur lequel un gabarit 16 est monté de telle façon que le gabarit tourne avec l'arbre autour de l'axe longitudinal ou axe d'enroulement du gabarit. Le dispositif d'enroulement 10 comprend également un support ou tête d'enroulement 19 qui se déplace le long de la longueur du dispositif d'enroulement en un mouvement rec- -5- tiligne réciproque sur les rails 22. La tête d'enroulement 19 reçoit la matière filamentaire ou fils 25 telle que des fibres de verre ou autres à partir d'une source convenable de ceux-ci et enduit les fibres d'un liant convenable tel qu'une résine époxy ou autre substance appropriée de sorte que chaque fibre soit enduite de liant, les fibres ensemble étant disposées dans une matrice de liant d'une manière bien connue dans la technique. Selon un mode de réalisation préféré, les fibres sont appliquées au gabarit en une bande de fibres juxtaposées. Cependant on comprendra que les fibres peuvent être appliquées sous forme de torons ou paquets de fils, sans sortir du cadre de l'invention. La structure aérodynamique réalisée selon la présente invention comprend une pluralité de couches enrou- lées de matière filamentaire, la première ou couche la plus interne de ces couches étant montrée dans la figure 1. On remarquera que les couches comprennent une pluralité de tours 28 généralement parallèles, écartés les uns des autres, ces tours étant inclinés angulairement par rapport aux axes longitudinal et transversal de la forme. On comprendra qu'une telle orientation angulaire des tours est obtenue par le mouvement longitudinal de la tête d'enroule- ment par rapport au gabarit, la vitesse de la tête d'en- roulement par rapport à la vitesse de rotation du gabarit déterminant l'orientation angulaire des tours. En enroulant la première couche ou couche la plus interne, les extré- mités des filaments traités au liant sont fixées à une extrémité du gabarit et on fait tourner le gabarit autour de son axe longitudinal lorsque la tête d'enroulement se déplace le long de la longueur du gabarit. Lorsque la tête d'enroulement s'approche de la pièce d'inversion 30, elle dépose un tour terminal 32 de matière filamentaire. Lorsque la tête d'enroulement dépasse l'extrémité du gaba- rit, les filaments sont capturés par une ou plusieurs aiguilles 34 émergeant du bord de la pièce d'inversion 30. Après avoir dépasser la pièce d'inversion, la tête d'en- roulement inverse la direction et enroule ainsi les fila- ments autour de la face externe de la pièce d'inversion, 2492354. -6- de sorte que les fibres sont capturées par un nombre d'aiguilles 34a écartées des aiguilles 34 sur lesquelles les filaments étaient d'abord capturées. Lorsque la tête d'enroulement commence son mouvement le long du gabarit dans la direction opposée, un tour terminal 37 recouvrant le tour terminal 32 et angulairement décalé par rapport à celui-ci est déposé. La poursuite du mouvement le long du gabarit 16 par la tête d'enroulement 19, alors que le gabarit tourne autour de l'axe 13, produit une seconde couche de tours écartés les uns des autres de matière filamentaire. Le mouvement réciproque le long du gabarit par la tête d'enroulement est répété jusqu'à ce que le nombre requis de couches est réalisé sur le gabarit. Comme on peut le voir dans la figure 2, les pièces d'inversion utilisées dans la technique ont une forme circdaire. Dans la figure 2, on montre une pièce d'inversion 40 sensiblement circulaire connue dans la technique, fixée à l'extrémité du gabarit de forme aérodynamique 16 selon toute manière convenable. Une pluralité d'aiguilles 34 écartées sortant de la pièce d'inversion sont fixées au bord de la pièce d'inversion , les aiguilles servant à engager la bande continue de matière filamentaire pour l'enroulement de la bande autour la surface externe de la pièce d'inversion de la manière décrite ci-dessus. Comme on peut le voir dans la figure 2, le diamètre de la pièce d'inversion est identi- que ou dépasse la largeur du gabarit de forme aérodynami- que. Comme on peut également le voir dans la figure 2, l'enroulement de couches successives de filaments sur le gabarit 16 résulte en une pluralité d'enroulements autour de la surface dé la pièce d'inversion 40 connue dans la technique, de tels enroulements comprenant une multiplici- té de sécantes généralement de longueur uniforme et de dispositions angulaires relatives. Donc on peut voir qu'une rotation uniforme du gabarit 16 combinée à un mouve- ment réciproque uniforme de la tête d'enroulement résulte- ra en une répartition uniforme des sécantes de matière filamentaire sur la pièce d'inversbn 40 comme il est montré dans la figure 2. Cependant, lorsque le gabarit -7- est sensiblement plus large qu'il n'est épais, comme dans le cas d'une structure aérodynamique 16 montrée dans les figures, un pont sensiblement important de matière fila- mentaire entre le bord d'une pièce d'inversion et le gabarit en résulte ainsi qu'une accumulation de couches de fibres. Il est bien entendu évident qu'un tel pont n'a aucune utilité dans l'article fini et doit être séparé de celui-ci lorsque l'opération d'enroulement est terminée, contribuant ainsi à augmenter les prix de fabrication du produit. En outre, la matière formant le pont est perdue et ne peeut être réutilisée dans des opérations d'enroule- ment ultérieures. Ceci également-bien entendu contribue significativement à augmenter le prix de l'article enroulé. En un exemple, lors de la construction d'une grande pale aérodynamique o l'épaisseur de la pale peut être aussi petite que 12% de la largeur (corde), la masse de la matière perdue du pont peut être supérieure au poids final de l'article fabriqué par enroulement. En outre, le pont exige l'écartement de la pièce d'inversion à une distance sensible des endroits correspondant à l'extrémité de l'article enroulé. Donc, lorsque de tels pont se produisent, des dispositifs d'enroulement de longueur plus grande que ceux qui seraient autrement nécessaires si aucun pont n'avait lieu, contribuent encore davantage à l'augmentation du prix de l'article fabriqué. Pour surmonter les désavantages de telles techni- ques d'enroulement connues, dans le procédé selon l'inven- tion, comme on peut le voir dans les figures 1, 4 et 5, la pièce d'une inversion "se conforme" d'une manière générale à la forme ensection transversale du gabarit. Dans le présent contexte, l'expression "se conforme" signifie que la pièce d'inversion et le gabarit sont soit entièrement soit en partie de dimensions similaires ou que les périmètres de ces deux éléments ont une forme non circulaire similaire. Lorsque la pièce d'inversion et le gabarit ne sont pas entièrement de forme similaire, l'expression "se conforme " impliquera que la partie de la pièce d'inversion non similaire s'étend seulement légère- ment vers l'extérieur par rapport à la forme de sorte que -8- le bord de la pièce d'inversion et la surface du gabarit sont très près l'un de l'autre. En se référant aux figu- res 1, 4 et 5, la pièce d'inversion 30 comprend un élément généralement plan se conformant sensiblement en ce qui concerne la forme, à la section transversale du gabarit et est fixée à celui-ci par tout moyen convenable. D'une manière similaire aux pièces d'inversion connues dans la technique, la pièce d'inversion 30 comprend à son bord des aiguilles 34 qui émergent de celle-ci et qui capturent les bandes filamentaires pour l'enroulement des bandes autour de la surface externe de la pièce d'inversion. En se référant à la figure 5, on peut voir que la conformité étroite entre la pèce d'inversion utilisée selon l'in- vention et le gabarit résulte en une réduction au minimum du pont entre le gabarit et les couches filamentaires complétées sur celui-ci et le bord de la pièce d'inversbn. Donc, pour une longueur d'article donnée, la longueur requise de l'appareil d'enroulement utilisé pour la fabrication de l'article est réduite jusqu'à sensiblement la longueur de l'article lui-même. En outre, le gaspillage à la fois de filaments et de matière liante est sensible- ment réduit étant donné que très peu de pont en résulte. Pour empêcher une séparation des filaments dans une bande par le bord de la pièce d'inversion, on arrondit la pièce d'inversion et celle-ci s'étend légèrement au-delà de la forme. En outre, on comprendra que là oZ le gabarit ne comprend pas de bords nets, la pièce d'inversion peut se conformer exactement à la forme de la section transversale du gabarit et être généralement de même dimension que celui-ci. Donc, pour une telle conformité exacte, le pont est sensiblement éliminé, éliminant ainsi entièrement le gaspillage de matière dû au pont et l'exigence d'opé- rations de post-enroulement pour éliminer la matière de pont de l'article fini. Dans la figure 4, on peut voir qu'au contrai- re de la pièce d'inversion 40 connue dans la technique montrée dans la figure 2, o les filaments occuperaient des endroits à sécantes uniformes, les filaments enroulés autour de la surface de la pièce d'inversion 30 ont des - 9 - longueurs variables et des dispositions angulaires rela- tives variables. Par conséquent, on peut voir que de telles nonunifôrmités peuvent exiger des variations dans le mouvement de la tête d'enroulement dans les aires de surface autour de la pièce d'inversion. Donc, le déplacement de la tête d'enroulement au-delà de la pièce d'inversion aussi bien que la vitesse de la tête d'enroulement dans la zone de la pièce d'inversion peuvent exiger des variations pour absorber le mou des filaments et la position des fila- ments de la manière souhaitée autour de la surface de la pièce d'inversion. Bien entendu, d'autres variations dans le mouvement de la tête de l'appareil d'enroulement telles que le mouvement vertical de la tête d'enroulement, peuvent être exigées. Similairement, le déplacement de la tête d'enroulement qui a pour effet que les filaments s'enroulent autour de l'arbre 13 dans le but d'absorber le mou peuvent être utilisés. Alors qu'un tel mouvement non uniforme dela tête d'enroulement n'était pas capable d'être contrôlé dans la technique connue, imposant ainsi l'utilisation de pièces d'inversion circulaires, des installations de réglage numérique modernes utilisées avec de tels appareils d'enroulermient décrits ici, lorsqu' elles sont pourvues d'informations en ce qui concerne la forme de la section transversale du gabarit, la vitesse de rotation et la disposition angulaire des fibres par rapport à l'axe transversal, règlent automatiquement la tête d'enroulement pour obtenir la disposition exigée de la matière filamentaire autour de la surface de la pièce d'inversion. Lorsque l'article à réaliser doit avoir une forme effilée, un tel effilement est obtenu en diminuant le nombre de couches enroulées depuis l'extrémité la plus grande de l'article jusqu'à l'extrémité la plus étroite. On doit alors comprendre que pour une telle technique d'enroulement, des pièces d'inversion seront exigées entre les extrémités du gabarit aux endroits séparant une partie de l'article ayant un nombre donné de couches enroulées d'une partie adjacente ayant un nombre plus petit de telles couches enroulées. Dans les figures 6 et 7 de - 10 - telles pièces d'inversion sont montrées en 45. Selon la présente invention, la pièce d'inversion 45 se conforme à la forme en coupe transversale du gabarit 16. Cependant, au contraire de la pièce d'inversion 31 qui, pour réduIre au minimum le pont, est réalisée pour correspondre en ce qui concerne ses dimensions à la forme de la section transversale du gabarit, la pièce terminale 45 s'étend vers l'extérieur d'une valeur suffisante pour s'accommo- der de la matière filamentaire enroulée autour de la surface de la pièce d'inversion entre le bord extérieur de celle-ci et le gabarit. La quantité de matière fila- mentaire ainsi accommodée déterminera par conséquent l'extension vers l'extérieur de la pièce d'inversion à partir du gabarit. Cependant, il a été déterminé que pour enrouler de grandes formes aérodynamiques effilées telles que les pales de grandes turbines éoliennes, o la matière filamentaire est enroulée sur le gabarit sous forme de bandes, la pièce d'inversion s'étend vers l'ex- térieur à partir du gabarit au bord d'attaque et aux surfaces principales de celle-ci d'une distance approxi- mativement égale à la moitié de la largeur de la bande et a un rayon de courbure au bord arrière approximative- ment égal à celui de la largeur de la bande. Alors qu'il est noté que l'extension vers l'extérieur de la pièce d'inversion à partir de la surface du gabarit provoque nécessairement un certain pont, étant donné que l'ex- tension vers l'extérieur vaut la moitié de la largeur de la bande, on comprendra qu'un tel pont est sensible- ment réduit par rapport à celui nêcessaii dans la technique connue avec des pièces d'inversion o la pièce d'inverson se prolongerait vers ltextérieur par rapport au gabarit d'une distance jusqu'à sept fois l'épaisseur du gabarit. Comme l'arbre 13, le gabarit lui-même peut être utilisé comme moyen pour absorber le mou dans la matière filamen- taire. Par conséquent, on peut voir que le procédé de fabrication d'articles selon la présente invention réduit sensiblement au minimum le pont de matière filamentaire entre le bord d'une pièce d'inversion et le gabarL Comme - il - on décrit ci-dessus, une telle réduction au minimum du pont sert non seulement à réduire au minimum les déchets de fibres et de liant, mais réduit également au minimm l'usinage nécessaire de l'article après enroulement aussi bien que la capacité nécessaire pour l'installation utilisée pour enrouler l'article. Bien entendu diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au procédé qui vient d'être décrit uniquement à titre d'exemple non limitatif sans sortir du cadre de l'invention. - 12 - Revendications: 1. Fabrication d'un article de section transversale allongée, non circulaire par enroulement d'une pluralité de couches se recouvrant de matière filamentaire autour d'un gabarit entre une paire de pièces d'inversion écartées tout en effectuant un mouvement réciproque de la matière fila- mentaire et du gabarit le long de l'axe d'enroulement le long de la longueur de ce gabarit, o les tours se recouvrant à l'extrémité des couches adjacentes sont formés par enroulement de la matière filamentaire autour de ce gabarit alors que cette matière filamentaire et ce gabarit sont mutuellement décalés dans une première direction le long de ces axes d'enroulement, et ensuite enrouler cette matière filamentaire autour de la surface externe de cette pièe terminale engageant les bords de celle- ci tout en inversant la direction de déplacement de cette matière filamentaire et du gabarit, caractérisé en ce que ces pièces d'inversion (30) ont une forme se conformant généralement à la forme en section transversale de ce gabarit, cette conformité de la forme entre cette pièce d'inversion (30) et ce gabarit (16)créant un pont filamentaire minimal entre les bords de ces pièces d'inversion (30) et ce gabarit (16) le long des parties principales du périmètre de celui-ci. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que cette section transversale, allongée non circulaire a une forme aérodynamique. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que cette forme aérodynamique comprend des bords d'atta- que et arrière et en ce que les bords d'attaque et arrière de cette pièce d'inversion (30) et de ce gabarit (13) coïn- cident généralement. 4. Procédé selon la revendbation 1, caractérisé en ce que cette matière filamentaire est enroulée autour de ce gabarit (16) en une bande continue comprenant une pluralité de filaments généralement juxtaposés et en ce que cette pièce d'inversion (30), sur une partie principale de celle- ci, s'étend vers l'extérieur par rapport à ce gabarit d'une distance approximativement égale à la moité de la largeur de cette bande. - 13 - 5. Procédé selon la revendication 4, o cette pièce d'inversion (30) et cette section transversale du gabarit ont une forme aérodynamique, caractérisé par des bords d'attaque et arrière opposés, ce bord d'attaque de cette pièce d'inversion (30) ayant un rayon de courbure approxi- mativement égal à la largeur de cette bande. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gabarit est monté sur un arbre (13) ayant un axe longitudinal généralement colàxhaire avec -cet axe d'enroule- ment, cet arbre (13) se projetant vers l'extérieur à partir de cette surface externe de la pièce d'inversion (30) de sorte que le mou dans la matière filamentaire est absorbé par un enroulement de celle-ci autour de cet arbre (13) lorsque cette matière filamentaire est enroulée autour de la surface externe de la pièce d'inversion (30).