Brevet FR2518979A1 — publié le 19830701

La présente invention concerne un procédé de fabri- cation d'articles par enroulement de filaments et plus précisément un tel procédé ou on réduit au minimum les vides dans cet article obtenu par enroulements de filaments. Dans les procédés de fabrication modernes pour la fabrication d'articles ayant une résistance améliorée; les I techniques d'enroulement de filaments sont souvent utilisées| De telles techniques impliquent l'enroulement de filaments de haute résistance disposés dans une matrice de matière liante autour d'un gabarit ou mandrin ayant une forme I correspondant généralement a la forme requise ou de l'arti- cle fini et ensuite le durcissement de la matière de la matrice Dans le cas de la fabrication d'un article allongé | tel qu'une partie aérodynamique d'une pale au moyen de | telles techniques d'enroulement de filaments, il a été de pratique courante d'enrouler les filaments autour du gabaritl alors que le gabarit et les filaments sont déplacés l'un par rapport à l'autre le long de l'axe longitudinal ou d'enroulement du gabarit Au moyen de cette technique on dépose sur le gabarit, une pluralité d'épaisseurs de matiè- res filamentaires, les filaments de chaque épaisseur étant angulairement décalés par rapport à l'axe d'enroulement aussi bien qie par rapport aux filaments des épaisseurs adjacentes Pour obtenir une disposition réciproque continue des filaments le long du gabarit lorsque les filaments sont enroulés autour de celui-ci, des dispositifs de retournement ou anneaux d'enroulement sont u'tisés aux extrémités du gabarit ou de l'extrémité de segment de gabarit à enrouler, des tours terminaux se recouvrant des diverses couches étant formées par enroulement des filaments par-dessus les bords et par-dessus la face externe de l'anneau d'enroulement tout en inversant la direction du déplacement longitudinal entre les fibres et le gabarit. Il doit être compris que les bandes filamentaires de chaque épaisseur croisent les bandes de l'épaisseur immédiatement précédente selon un angle particulier de croisement égal au double de l'angle d'enroulement Etant donné que les contraintes perpendiculaires à la surface 18979 d'enroulement pendantle procédé d'enroulement sont parfois suffisantes pour comprimer sensiblement les fibres, de tels croisements d'épaisseurs de bandes de filaments se recouvrant créent des vides dans la coucheformée par deux épaisseurs De tels vides tendent à produire des surfaces; d'enroulement irrégulières, affaiblissent l'article enroulé de filaments et influencent de façon nuisible la confor- mité entre la forme réelle de l'article enroulé et celle du design souhaité. Le procédé d'enroulement décrit ci-dessus, le procédéi d'enroulement d'une bande filamentaire autour d'un gabarit en rotation tout en soumettant la bande et le gabarit longi- tudinalement à un mouvement réciproque de va-et-vient, a été d'abord utilisé pour réaliser des formes géométriques régulières telles que des cylindres et des sphères au moyen de techniques d'enroulement de filaments Ces spécialistes en la technique comprendront aisément que lors de l'enroule- ment de telles formes géométriques régulières, les-filaments sont enroulés selon des lignes générabment géodésiques c'est-à-dire des lignes définissant la distance la plus courte entre une paire de points écartés sur une surface. Cependant, lors de l'enroulement de formes irrégulières complexes telles que la forme tordue effilée d'une grande pale aérodynamique de turbine éoliennel pour maintenir un angle d'enroulement constant, il est souvent nécessaire que les filaments soient enroulés selon des lignes non- géodésiques introduisant ainsi des contraintes transversales i aux bandes lorsqu'elles sont enroulées sur le gabarit ou sur des couches filamentaires adjacentes De telles contrain- tes transversales résultent souvent en une séparation des fils dans une même bande et la formation de vides dues à l une telle séparation Etant donné que chaque épaisseur fila- mentaire croise une épaisseur précédente, on comprendra que les vides résultant de telles séparations de fils ne sont ultérieurement pas remplis par les épaisseurs enroulées qui les recouvrent. Ainsi qu'on l'a dit ci-dessus, la matière filamentai 4 re est imprégnée d'un liant ou matière adhésive telle qu'une résine époxy ou autre semblable qui est durcie après l'enroulement Bien qu'il pourrait sembler que les vides dans l'article enroulé, dus au croisement des épaisseurs et à la séparation des filaments à cause des lignes d'en roulement non géodésiques, puissent être remplis par l'écoulement du liant, lors de l'enroulement des filaments pour la fabrication de grandes pales de turbineséoliennes par la technique décrite ci-dessus, un tel écoulement n'a pas été constaté à cause de la teneur relativement -10 élevée en filaments (faible teneur en liant) requise pour obtenir une résistance améliorée et à cause de l'action capillaire qui tendent à faire adhérer sensiblement la totalité du liant non durci aux fils. Le but de la présente invention est par conséquent de réaliser un procédé amélioré pour la fabrication d'un article par enroulement de filaments o la création des vides dans l'article est réduite au minimum Selon un procédé, les vides entre les filaments dus à l'enroule- ment le long de lignes non-géodésiques sont remplis par la i 20 matière filamentaire provenant des épaisseurs enroulées qui les recouvrent. Selon la présente invention, le but sera atteint en enroulant toutes les épaisseurs d'une seule couche dans une direction uniforme éliminant ainsi le croisement à l'intérieur d'une seule couche et permettant aux filaments d'une épaisseur de remplir les vides d'une épaisseur sous- jacente de la même couche Egalement selon la présente invention, une telle disposition de matière filamentaire est obtenue en effectuant des mouvements simultanés réci- proques, rectilignes et rotatifs entre le gabarit ou mandrin sur lequel l'article est enroulé et une bande de matière filamentaire enroulé sur le gabarit Par un tel mouvement réciproque, la bande est enroulée autour du gabarit le long d'un axe d'enroulement passant au travers du gabarit et lorsque la bande atteint l'extrémité du gaba- rit, elle inverse sa direction, retournant en arrière le long de l'axe d'enroulement, cette inversion de direction étant accompagnée par une inversion généralementsimultanée- de la direction de rotation relative entre la matière filamentaire et le gabarit Il doit être compris que de i tels changements de direction simultanés à la fois dans le déplacement rectiligne le long de l'axe d'enroulement et le mouvement de rotation autour de l'axe d'enroulement résultent en ce que les fils dans les épaisseurs adjacentes sont enroulés autour du gabarit selon un angle d'enroulement uniforme éliminant ainsi entièrement les croisements de filaments et les vides conséquents L'angle d'enroulement uniforme permet également aux fils d'une épaisseur supé- rieure de remplir les vides entre les fils d'une épaisseur inférieure. Pour que l'invention puisse être mieux comprise, référence est faite aux fiqures suivantes o: La figure 1 est une vue en perspective d'un article en train d'être réalisé selon un procédé c Qnnu d'enroulement de filaments. La figure 2 est une élévation fragmentaire d'une -partie d'un article en train d'être enroulé, comme il-est montré dans la figure 1. -La figure 3 est une vue en coupe prise dans la direction de la ligne 3-3 de la figure 2. La figure 4 est une vue en perspective d'un article en train d'être réalisé selon le procédé de la présente invention. La figure 5 est une vue partielle en perspective J d'une partie d'un article en train d'être construit selon le procédé d'enroulement de filaments selon l'invention. Dans la figure 1, on montre un article de section transversale allongée, non circulaire, en train d'être fabriqué selon un procédé connu d'enroulement de filaments- J et dans ce cas l'article fabriqué est une pale aérodynamique allongée telle que celles utilisées dans les grandes turbines éoliennes Le procédé est mis en oeuvre sur une machine d'enroulement 10 comprenant un arbre de rotation (broche) 13 sur lequel un gabarit 16 est monté de sorte que le gabarit tourne avec l'arbre autour de l'axe t longitudinal ou d'enroulement du gabarit La machine d'en- I roulement 10 comprend également un support ou tête d'en- roulement 19 qui se déplace le long de la longueur de la machine d'enroulement selon un mouvement rectiligne de va-et vient sur des rails 22 La tête d'enroulement 19 reçoit une pluralité de filaments continus ou fils 25 tels que des fibres de verre ou autre semblables à partir d'une source convenable (non représentée) et enduit les fils au moyen d'un liant approprié tel qu'une résine époxy-ou autre substance convenable de telle façon que les fibres sont disposées collectivement dans une matrice de liant selon une manière bien connue dans la technique Les fibres sont appliquées au gabarit en une bande comprenant des cou- ches uniqu G ou multiples de fils juxtaposés, ou de fils selon des torons ou faisceaux uniques La partie aérodynami- que formée selon ce procédé comprend une pluralité de cou- cnes enroulées de matières filamentaires. Dans le présent contexte, "couche" désigne une distribu- tion continue complete de fils sur la surface du gabarit ou sur une couche adjacente interne Ainsi qu'il est montré, les tours sont décalés angulairement par rapport à l'axe d'enroulement du gabarit, et il sera aisément compris qu'une telle orientation angulaire des tours est obtenue par le mouvement longitudinal de la tête d'enroulement par - rapport au gabarit, la vitesse de la tête d'enroulement par rapport à la vitesse de rotation du gabarit déterminant l'orientation angulaire des tours En enroulant la première épaisseur ou circuit le plus interne montrée dans la figure. 1, les extrémités de la bande de filaments, traités au moyen de liant sont fixées à une extrémité du gabarit et celui-ci tourne autour de son axe longitudinal lorsque la tête d'enroulement se déplace le long de la longueur du gabarit depuis la droite jusqu'à la gauch o Lorsque la tête d'enroulement s'approche d'un dispositif de retournement , elle dépose un tour terminal 32 de matière filamentaire. Lorsque la tête d'enroulement dépasse l'extrémité du gabarit les filaments sont capturés par une ou plusieurs aiguilles sortant de l'extrémité du dispositif de retournement 30 Apres avoir dépassé le dispositif de retournement, la tête d'enroulement inverse sa direction du mouvement enroulant ainsi le filament autour de la face externe du dispositif de retournement de sorte que les fibres sont capturées par un certain nombre d'aiguilles déplacées par rapport i Or 6 iY; * à celles sur lesquelles les filaments ont d'abord été captu- rés Lorsque la tête d'enroulement commence son déplacement i le long du gabarit dans la direction opposée, un tour termi-ê nal 37 recouvrant le tour terminal 32 est déposé Le dépla- cement continu le long du gabarit 16 par la tête d'enroule- ment 19 depuis la gauche jusqu'à la droite alors que le gabarit tourne sur lui-même, produit une seconde épaisseur (circuit) de tours écartés de matière filamentaire Il doit être compris que la troisième épaisseur est déposée après le déplacement le long du gabarit par la tête d'enroulement 19 dans la direction indiquée dans la figure 1 et l'inversion de la direction de la tête d'enroulement 19 Ces spécialistes en la matière admettront que les tours de fils de la troisiè- me épaisseur sont généralement parallèles et adjacents à la première épaisseur mais croisent les tours de la seconde - épaisseur Chaque épaisseur successive est déposée parallèle- ment aux épaisseurs déposées lors du déplacement le long du gabarit par la tête d'enroulement dans la même direction. Une répétition continue de ce procédé résulte en une couche complète de fils déposés sur le gabarit selon une structure en "panier tressé" constituée de deux épaisseurs. Dans les figures 2 et 3, trois épaisseurs agrandies sont montrées Les fils 40 représentent la première épaisseur enroulée sur le gabarit et décalée angulairement de l'axe d'enroulement du gabarit En-supposant pour des buts illustratifs que la figure 2 est prise dans la même direction générale que la figure 1, on peut voir que les fils 40 sont enroulés lorsque la tête d'enroulement se déplace le long du gabarit dans une direction depuis la droite vers la gauche Lorsque la tête d'enroulement atteint 16 extrémité du gabarit et change de direction en retournant vers sa position init le dans une direction depuis la gauche vers la droite, l'épais- seur comprenant les fibres 45 est enroulée Lorsque la tête d'enroulement a complètement longé le gabarit dans cette direction, elle inverse sa direction ense déplaçant depuis la droite jusqu'à la gauche et en déposant une troisième épaisseur comprenant des fils 50 parallèles aux fils 40 et adjacents à ceux-ci tout en croisant les fils 45. | 40 Ainsi qu'on peut le voir dans la figure 3, les fils -7- et 45 définissent avec la surface du gabarit 16 un vide entre le bord de la bande formée par les fils 40 et les 1 parties des fils 45 qui viennent en contact avec le gabarit 16. On peut aisément comprendre que chaque croisement tel que celui défini par les fils 40 et 45 établira un vide similaire et pour chaque couche unique d'un grand article enroulé de filaments, des centaines de ces vides sont établis Lorsqu'on réalise qu'un tel grand article enroulé de filaments peut comprendre un grand nombre de telles couches, on appréciera que dans un seul article, des milliers de ces vides peuvent être établis. Ainsi qu'on l'a indiqué ci-dessus, avec des articles enroulés de filaments de forme complexe, il n'est pas toujours possible d'enrouler selon des lignes géodésiques. Par conséquent, l'enroulement selon des lignes non-géodési- ques est nécessaire, et ces spécialistes en la matière le comprendront, un tel enroulement établit des forces de réaction sur les filaments, qui tendent à séparer ces fila- ments d'une bande, créant ainsi des vides allongés entr'eux. De tels vides internes dans une bande détruisent la résistan- ce inhérente de l'article enroulé de filaments de la même manière que les vides 55. Au moyen de la présente invention, de tels vides inhérents aux techniques d'enroulement de filaments sont virtuellement éliminés en maintenant une disposition angu- laire uniforme de toutes les épaisseurs de fils En se référant à la figure 4, une machine d'enroulement sensible- ment identique à celle montrée dans-la figure 1 est repré- sentée Egalement ainsi qu'il est montré dans la figure 1, * le gabarit est, dans un but illustratif, généralement de forme aérodynamique Les filaments ou fils traités de matière adhésive sont déposés ou enroulés sur le gabarit i 35 par le mouvement de va-et-vient rectiligne du support 19 alors que le gabarit tourne sur la broche 13 Cependant, * au contraire du procédé d'enroulement décrit ci-dessus - dans le procédé selon l'invention, le gabarit change de direction de rotation par apport à la bande de filaments non enroulés alors que la tête d'enroulement et par consé- 8 - quent la bande change de direction longitudinalement par rapport au gabarit Selon la présente invention, chaque changement de direction de rotation du gabarit se produit- généralement simultanément avec un changement de direction du déplacement rectiligne de la tête d'enroulement En se référant toujours à la figure 4, la première épaisseur est enroulée par rotation du gabarit dans la direction de la flèche 60 alors que la tête d'enroulement se déplace le long des rails 22 depuis la droite jusqu'à la gauche. Après voir atteint l'extrémité gauche du gabarit, les fils sont capturés par les aiguilles sur' le dispositif de retour-. nement de la manière décrite ci-dessus et la tête d'enrou- lement et le gabarit change de direction de rotation l'un -15 par rapport à l'autre, le gabarit tournant maintenant dans la direction de la flèche 65 alors que la tête d'enroulement se déplace depuis la gauche jusqu'à la droite pendant que la seconde épaisseur est enroulée sur le gabarit parallèlement à, et côte-à-côte par rapport à la première :20 épaisseur, sans que aucun tour de la seconde épaisseur ne croise les tours de la première épaisseur On comprendra que la poursuite de ce procédé résulte en des bandes de fils déposés côte-à-côte, parallèlement l'une à l'autre pour former une couche filamentaire complète constituée d'un * 25 seule épaisseur de fils Par conséquent, on peut voir que les croisements à l'intérieur d'une seule couche complète sont éliminés et par conséquent aussi les vides dus à de j tels croisements On peut voir qu'avec le procédé selon l'invention, une couche comprenant une épaisseur de deux diamètres de filaments peut être enroulée alors que la totalité des tours sont parallèles l'un à l'autre Donc, s'il doit y avoir des vides à l'intérieur des bandes dues à l'enroulement selon des parcours non géodésiques, les fils parallèles qui l E recouvrent rempliront aisément de tels vides lorsque le procédé d'enroulement se poursuit. On comprendra que le procédé selon la présente invention a également divers autres avantages Par exemple, avec une épaisseur f lamentaire continue ayant une épais- seur égale à un diamètre de filament, l'épaisseur peut être contrôlée jusqu'à une dimension plus précise qu'avec les -9- procédés connus o chaque couche a unedouble épaisseur de filaments de la configuration en panier tressé indiquée ci-dessus En outre, il est possible d'enrouler des épais- seurs parallèles qui se recouvrent et qui se logent l'une dans l'autre pour obtenir un fini de surface lisse sans tension excessive afin d'obtenir une compacité, une telle tension risquant de rompre les fibres et par conséquent d'interrompre le procédé d'enroulement. Dans la figure 5, l'extrémité gauche du gabarit de la figure 4 est montrée Dans la figure 4 on peut voir que la capture des fils sur le dispositif de retournement est telle que les fils sont enroulés autour de la broche par-dessus la surface du dispositif d'enroulement avant que la direction d'enroulement soit-changée Cependant, ainsi qu'il est montré dans la figure 5, il et possible d'enrouler une seconde couche de telle façon qu'immédiate- ment après la capture sur le dispositif de retournement, les fils sont enroulés dans une direction inverse, parallèle et adjacente aux tours de la première épaisseur. Ceci élimine la disposition des fils par-dessus la face du dispositif de retournement et autour de la broche et donc favorise l'économie du procédé de fabrication. On comprendra qu'avec le procédé selon l'invention, les filaments des couches adjacentes peuvent être parallè- les l'un à l'autre ou décalés angulairement l'un par rapport à l'autre Il est seulement nécessaire de former chaque couche au moyen de fibres parallèles pour éviter l'établissement de vides dans l'article enroulé Les filaments des couches complètes adjacentes peuvent être décalés angulairement, par exemple, pour satisfaire aux exigences de résistance sans introduire des vides dans la structure. - J -1 Revendications: 1 Procédé de fabrication d'un article par enroulement de filaments, ce procédé consistant à enrouler autour d'un gabarit ( 16) une bande de filaments ( 25) imprégnés de matière adhésive, caractérisé en ce qu'on effectue un chan- gement de direction de rotation relative de ce gabarit ( 16) par rapport à cette bande ( 25) simultanément avec un mouve- ment de va-et-vient rectiligne relatif de ce gabarit ( 16) et de cette bande ( 25) chaque changement de direction de la rotation relative de ce gabarit ( 25) se produisant généralement simultanément avec le chan- gement correspondant de direction du déplacement rectiligne relatif du gabarit ( 16) et de la bande ( 25) de sorte que sensiblement la totalité de la matière filamentaire enrou- lée dans une couche complète quelconque sur ce gabarit( 16) est disposée selon une orientation angulaire uniforme par rapport à un axe passant au travers de ce gabarit ( 16) 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé par l'enroulement de filaments d'une couche complète sur ce mandrin ( 16) selon une disposition angulaire décalée par rapport aux filaments d'une couche complète adjacente. 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ce changement de direction de rotation relative de gabarit ( 16) par rapport à cette bande ( 15) comprend un changement de rotation de gabarit autour d'un axe dé rotation.