Brevet FR2532581A1 — publié le 19840309

La présente invention est relative à des corps creux tubulaires en matière plastique renforcée par des fibres Ces corps creux sont conçus pour être utilisés comme étresillonstirants, entretoises dans les construc- tions, comme éléments de transmission des efforts de compression et de traction et des moments de rotation, notamment dans les astronefs, les avions et les véhicules. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication de ces corps creux et des dispositifs per- mettant l'application de ce procédé. Dans le domaine de la construction des engins de transport, en général, c'est-à-dire des astronefs, des avions et des véhicules automobiles, on utilise de plus en plus, à la place des métaux, des corps composites compor- tant des fibres qui, d'une part, ont une résistance méca- nique et une rigidité comparables à celles des métaux et, d'autre part, permettent de réaliser des pièces beaucoup plus légères que les éléments de construction, correspondants eri métal Comme, contrairement à celles des métaux, les caractéristiques mécaniques des corps composites contenant des fibres dépendent de l'orientation, on peut, en utilisant ces matériaux, réaliser des éléments de construction qui sont adaptés dans chaque cas d'une manière optimale aux charges qu'ils ont à supporter et, de ce fait, permettent d'obtenir un allègement considérable. C'est avant tout le procédé dit par enroulement qui est le plus appliqué dans les techniques de la cons- truction légère pour la réalisation d'arbres de transmis- sion d'efforts ou d'entretoises, étrésillons ou tirants. Cependant, pour les éléments de construction cylin- driques constitués par des substances composites compor- tant des fibres, la réalisation des zones d'application des efforts pose des problèmes Dans l'état actuel de la technique, on les résoud en associant aux éléments de construction en matière plastique renforcée par des fibres des pièces métalliques appliquées ou enveloppantes qui sont fixées par collage ou par déformation mécanique avec utilisation d'éléments auxiliaires (rivets). Les éléments de construction réalisés de cette manière constituent une solution de compromis qui, en raison de la nécessité d'augmenter les dimensions dans la zone d'assemblage, est moins avantageuse, en ce qui concerne le poids, que l'utilisation d'éléments de cons- truction dont la zone d'assemblage est réalisée en une substance composite comportant des fibres. Le but de l'invention est donc de permettre la réalisation de corps creux conçus pour l'utilisation indi- quée de telle manière qu'ils puissent être utilisés direc- tement comme élément de construction, c'est-à-dire qu'une simple fixation par vissage dans la zone d'assemblage leur permette de transmettre les efforts. Le but de l'invention est également de faire con- naître dés procédés et des dispositifs permettant la fabrication de ces corps creux. Ces deux buts peuvent être atteints, suivant l'inven- tion, par deux solutions différentes qui comportent l'uti- lisation d'une rallonge commune. Dans la première solution, des corps creux en forme de barre du type initialement défini sont constitués, suivant 1 ' invention de telle manière que la partie tubu- laire médiane se prolonge, des deux côtés, par des parties de moindre section intérieure faisant corps avec elle. Dans la deuxième solution, un corps creux en forme de barre du type initialement défini comporte une partie tubulaire médiane ayant une section intérieure à peu près circulaire et des rallonges d'assemblage ayant une section intérieure limitée par deux parois rectili- gnes parallèles ayant une longueur comprise entre la moitié et la totalité du diamètre de la partie médiane. Le procédé qui permet la fabrication de ces corps 3- creux part de l'état de la technique dans lequel on ap- plique sur un tuyau souple un matériau fibreux imbibé de résine synthétique, le produit ainsi obtenu étant introduit dans un moule creux et soumis à une surpression intérieure-et à un durcissement, et consiste en ce que, suivant l'invention, un tuyau constitué par un matériau élastique est appliqué sur une forme correspondant au contour intérieur du corps creux en forme de barre, en ce que l'on applique sur ce tuyau un matériau fibreux préalablement imprégné et qui est comprimé fortement contre le tuyau ou contre le noyau interne et que, le cas échéant, un enroulement périphérique est appliqué aux extrémités, en ce que le produit ainsi obtenu est introduit dans le moule creux, que le tuyau est bouché à ses extrémités et soumis à l'action d'une pression, en ce que le tuyau à l'intérieur du moule creux est soumis à une pression intérieure définie et que l'élément de construction est durci à haute température. Le dispositif qui fait également l'objet de l'inven- tion et permet l'application du procédé suivant l'invention est constituée par un moule creux en deux parties qui peut se fermer et est constitué par un matériau solide de conductibilité calorifique élevée qui, suivant l'inven- tion, peut constituer le négatif de l'élément de cons- truction ultérieur. Diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent d'ailleurs de la description détaillée qui suit. Une forme de réalisation de l'objet de l'invention est représentée, à titre d'exemple non limitatif, au dessin annexé. Les fig 1 et 2 représentent en coupe des corps creux réalisés dans les conditions de l'état de la technique. La fig 3 représente en coupe un mode de réalisation suivant la première solution de l'invention. La fig 4 représente en coupe un mode de réali- sation suivant la deuxième solution de l'invention. Les fig 5 à 7 représentent les différentes phases de la fabrication d'un corps creux suivant l'invention. Dans le mode de réalisation représenté à la fig 1, le tube 1 est constitué par-une matière plastique ren- forcée par de la fibre de verre A ses extrémités, ce tube a subi une diminution de diamètre extérieur par tournage ou de toute autre manière Sur les extrémités de diamètre extérieur réduit on a poussé une pièce ter- minale 2 constituée par un alliage d'aluminium ou de métal léger et on l'a 'relié au tube 1 au moyen de rivets 3. Le mode de réalisation, également connu, qui est représenté à la fig 2 se distingue de celui que repré- sente la fig 1 par le fait qu'on a remplacé le mode d'assemblage par rivets, qui est très compliqué et n'est pas absolument sûr, par l'utilisation d'une couche de colle 4. Dans la première solution suivant l'invention, représentée à la fig 3, le tube 1 est constituée par une matière plastique renforcée par de la fibre de verre. Au niveau de ses extrémités 5, le tube prend une forme conique, l'épaisseur de ses parois augmentant vers les extrémités, comme le montre nettement la fig 3 De plus, chaque extrémité comporte un cône intérieur 6 cons- titué par une matière plastique renforcée par de la fibre de verre Dès le stade de la fabrication, on prévoit une plaque de serrage 7 en alliage d'aluminium, au niveau de l'extrémité 8 Cette plaque de serrage 7 comporte un prolongement 8 muni d'un filetage extérieur et as- surant la liaison avec la pièce d'assemblage 9 qui com- porte un prolongement creux 10 muni d'un taraudage et une partie saillante en collier 11 contre laquelle la surface frontale 12 du tube est poussée et comprimée lorsqu'on effectue le vissage Les zones d'extrémité 5 peuvent, à leurs extrémités extérieures, avoir un diamètre intérieur (un contour intérieur) qui ne soit Sue le 1/5 du-diamètre intérieur (du contour intérieur) du tube 1. Dans une variante de l'invention, la paroi inté- rieure de la zone terminale 5 peut comporter des dents qui correspondent à des dents ménagées sur la plaque de serrage et permettent d'éviter toute rotation de la plaque de serrage par rapport au tube. Dans la deuxième solution suivant l'invention, représentée à la fig 4, le tube 1 est également constitué par une matière plastique, renforcée par de la fibre de verre, qui se prolonge par ses zones d'extrémité 13 amincies qui font corps avec lui Cependant, la zone d'extrémité 13 n'est pas conique, mais réalise une tran- sition entre la section circulaire du tube 1 et une section essentiellement rectangulaire qui est celle de l'extrémité de la zone terminale 13 Le côté le plus long du rectangle formant cette section peut avoir une lon- gueur comprise entre la moitié et la longueur totale du diamètre du tube La zone terminale 13 amincie comporte en outre un prolongement 14 qui a une section rectangu- laire constante et comporte des trous 15 pour le passage de boulons de fixation ou de dispositifs analogues Ces trous 15 peuvent être munis de douilles 16 constituées par exemple par du titane Les zones d'extrémités 13 et les prolongements 14 peuvent être renforcés par des nervures longitudinales 17 et par des barres pleines 18. Le tube 1 peut également être muni de dispositifs de raidissement C'est ainsi, par exemple, qu'il peut comporter, l'une en face de l'autre et orientées dans le sens de la longueur du tube, deux bandes ayant une épaisseur de paroi supérieure à celle du tube lui-même. L'épaisseur de ces bandes peut rester constante sur toute la longueur du tube, mais elle peut également être modifiée graduellement compte tenu du moment de flexion dû aux efforts de flexion qui s'exercent sur le tube. De plus, les extrémités ou zones d'assemblage peuvent être munies, sur leur côté extérieur, d'enrou- lements de renforcement. Comme matériau permettant de réaliser le corps creux suivant l'invention, les matières plastiques ren- forcées aux fibres de carbone ont donné des résultats particulièrement satisfaisants Les fibres de renforcement peuvent être constituées de préférence par de l'aramide, qui est un polymère organique synthétique. L'application d'une couche extérieure constituée par un tissu de verre ou un tissu d'aramide sur le tube constitué par une matière plastique renforcé par des fibres de carbone est avantageuse, d'une part, pour la protection des fibres de carbone et, d'autre part, pour l'isolation électrique entre les fibres de carbone et un revêtement ou une enveloppe analogue en aluminium. Le procédé permettant de fabriquer le corps creux suivant l'invention a pour point de départ la méthode courante dans laquelle on utilise un tuyau et dans laquelle on applique sur un tuyau des fibres imbibées de résine synthétique, après quoi le tuyau et la couche qui l'en- toure sont introduits dans un moule creux, le tuyau est soumis à l'action d'une pression de l'intérieur et la matière plastique est durcie. Le procédé qui fait l'objet de l'invention constitue un perfectionnement à partir de cette base En effet, dans le procédé qui fait l'objet de l'invention, le tuyau constitué par un matériau élastique, est tiré sur une forme (ou noyau) qui correspond à la forme de l'intérieur du corps creux que l'on veut obtenir Ensuite, le matériau composé de fibres imprégnées de résine synthétique est appliqué sur le tuyau et comprimé contre lui, donc contre le noyau Si c'est nécessaire, on place aussi des enroulements périphériques aux extrémités Le noyau, le tuyau et le matériau fibreux imbibé sont introduits dans un moule creux qui a été traité, le cas échéant, par un "produit'séparateur" Ensuite, les extrémités du tuyau qui dépassent et ne sont pas recouvertes par le mélange de fibres et de matière plastique, peuvent être rabattues sur le moule creux à parois minces de manière à isoler de l'extérieur,-au niveau des deux extrémités, l'espace compris entre le moule creux et le tuyau et rempli, par le mélange de fibres et de matière plastique. Le tuyau étant dè_s lors isolé, il est soumis, par l'une de ses extrémités, à une pression Le tout est ensuite chauffé pour obtenir le durcissement de la matière plas- tique. Il est préférable que le tuyau soit constitué par un matériau élastique isotrope et que, pour l'adapter à la forme intérieure voulue, on le monte sur une barre de stabilisation dont le diamètre correspond au diamètre de l'évidement de l'élément de construction, entre deux parties coniques Ces parties coniques permettent de don- ner exactement la forme conique voulue à la paroi inté- rieure et assurent par ailleurs la fermeture étanche du tuyau. Le noyau sur lequel on tire le tuyau (dans les conditions indiquées cîi-dessus) est constitué de préférence par une matière plastique expansée ou formée d'une mousse. Sous l'action de la température élevée nécessaire au durcissement de la matière plastique et/ou de la pression exercée à l'intérieur du tuyau, le noyau se rétrécit de sorte que le corps creux fini peut être dégagé. Une autre manière possible d'enlever le noyau consiste à utiliser un noyau constitué par un matériau pulvérulent soumis à l'action du vide Lorsque l'action du vide cesse après l'application des couches, le matériau-qui constitue-le noyau redevient fluide et peut être extrait du corps creux après le durcissement de la résine synthétique. Enfin, le noyau peut être constitué par un matériau, à bas point de fusion, comme le "métal de Wood", la glace ou un matériau analogue La mise en place du tuyau sur la forme et l'application du mélange de fibres et de résine artificielle à des températures inférieures au point de fusion du matériau constitue le noyau Cependant, ce matériau fond à la température plus élevée nécessaire au durcissement de la résine synthétique et peut, de ce fait, être extrait hors du corps creux. Le coefficient mesurant l'expansion que le tuyau subit entre le plus grand diamètre intérieur des zones coniques et la section intérieure du corps creux terminé est compris entre 1 et 2 Le rapport de gonflement entre le diamètre extérieur de l'ensemble noyau, tuyau et couche de fibres mélangées de résine artificielle et le diamètre extérieur du corps creux terminé doit, pour que la qualité du produit obtenu soit satisfaisante, être compris entre 2 et 5 % au maximum. L'expérience a montré qu'il est avantageux que le matériau constitué par des fibres comprenne deux couches qui s'étendent sur toute la longueur du corps creux et qui sont appliquées sur le tuyau d'une manière telle que leurs parties débordantes soient toujours superposées. L'extraction du tube hors du corps creux terminé est nettement facilitée lorsqu'après le durcissement de la résine artificielle et après l'enlèvement du noyau on fait le vide dans le tuyau. Les plaques de serrage 7 qui restent dans le corps creux terminé peuvent être montées à l'intérieur du tuyau dans le noyau solide ou sur la barre de stabili- sation. Dans tous les cas, l'opération de finition du corps creux terminé, après l'extraction du tube, consiste à fraiser le contour des rallonges d'assemblage, pour leur donner leur forme définitive, et à forer les trous et, le cas échéant, à y insérer les douilles 16. La forme utilisée pour l'application du procédé est, comme d'habitude, un moule creux en deux parties que l'on peut fermer et dont l'intérieur constitue, sui- vant l'invention un négatif des éléments de construction terminés ou à réaliser. Pour la fabrication d'un corps creux ayant des ral- longes ou zones terminales coniques, la forme suivant l'invention comporte, dans les zones terminales, des zones d'appui sur paliers qui servent au guidage du noyau intérieur solide ou des parties coniques. De plus, la forme ou moule peut être construite d'une manière modulaire et être constituée par deux par- ties cylindriques interchangeables Dans ces conditions, il est possible, avec un petit nombre de parties de moule différents, d'assurer la fabrication de corps creux de différentes longueurs. Lorsqu'on veut fabriquer des corps n'ayant une partie conique que dans un seul plan, il faut utiliser un moule creux comportant des évidements périphériques situés les uns en face des autres et dans lesquels on peut engager un corps de moule qui ferme complètement ces évidements Il est avantageux que ces évidements se trouvent dans les zones terminales du moule creux Les corps de moule eux-mêmes doivent constituer un négatif pour la zone des parties d'assemblage du corps creux. Un exemple d'application du procédé de fabrication est décrit ci-dessous en se référant aux fig 5 à 7. Le noyau de moule a est constitué par la barre support b, constituée par exemple en acier, qui comporte à ses deux extrémités des trous filetés c, et par la couche de noyau d dont la forme correspond à la forme de l'intérieur de la pièce à fabriquer La couche de noyau peut être constituée par exemple par une mousse dure (polystysol) ou par du métal de Wood ou par une substance analogue, c'est-à-dire qui lors du durcissement de la pièce à haute température est détruite (par coké- faction, combustion lente, fusion,etc) Sur le noyau de moule a on a appliqué une couche mince e constituée par du caoutchouc, par exemple L'excès de longueur des extrémités de noyau a, mis en évidence par les figures, a pour but de faciliter la manipulation du tuyau ou de ses extrémités. Sur le tuyau e appliqué sur le noyau de moule a on applique la masse de fibres imbibée de résine arti- ficielle sous la forme d'une couche f Cette couche f peut être d'une manière quelconque, soumise à une com- pression (dessin I). Le noyau de moule a muni de la couche e est intro- duit dans la moitié du moule creux g divisée suivant un plan contenant l'axe longitudinal La deuxième moitié du moule creux est placée sur la première et est soli- dement fixée à celle-ci, par exemple, comme on le voit, par les bagues de serrage h Les extrémités du tuyau e qui dépassent hors du moule creux g sont rabattues sur les zones terminales des deux moitiés de moule creux. On réalise de cette manière une cavité de moulage isolée de l'extérieur et ayant une section annulaire Cette cavité de moule est délimitée intérieurement et à ses deux extrémités par le tuyau e et extérieurement par les deux moitiés du moule creux g (dessin II). Aux extrémités du noyau du moule a, on engage des bouts i et j jusqu'à ce que leurs surfaces annulaires- K, 1 s'appliquent contre la partie retournée des extré- mités du tuyau qui constitue une surface frontale Les bouts i, j sont appliqués de manière à assurer l'étan- chéité, au moyen de vis ri qui s'engagent dans les trous filetés c, contre les surfaces terminales du tuyau. Entre la tête N d'une vis et la surface extérieure du bout correspondant i ou j, on intercale un disque d'étan- chéité o et un disque de compression (disque de mise en place) p Le bout j comporte un trou fileté q par lequel on peut introduire de l'air comprimé ou tout autre milieu sous pression Le milieu sous pression introduit de cette manière remplit l'espace libre an- nulaire compris entre le noyau de moule a et le tuyau e de ce fait, la couche e se trouve comprimée fortement de l'intérieur contre le moule creux g (dessin III). Le chauffage provoque le durcissement du liant contenu dans la couche e La couche de noyau d-est alors détruite Toutes les diminutions de volume du noyau de moule a qui se produisent peuvent être compensées en introduisant encore une certaine quantité du milieu sous pression. Après le durcissement, on desserre les vis et on enlève les bouts Les extrémités du tuyau sont ramenées à leur forme primitive (rabattues en arrière), les moitiés du moule creux sont enlevées-Le matériau détruit ou fondu qui-constituait la couche de noyau est évacué par l'espace libre compris entre la barre de support et les extrémités du tuyau La barre de support et le tuyau redevenu mou sont extraits de la pièce terminée, mais il est possible également d'enlever d'abord la barre de support et ensuite le tuyau. L'homme de l'art peut évidemment-apporter au corps creux décrit de même qu'au procédé et au dispositif permettant de la fabriquer, des modifications diverses sans sortir du cadre de l'invention En particulier, il est souvent important que le périmètre de la section intérieure de la partie médiane et le périmètre de la section des parties permettant l'assemblage sont égaux ou que le périmètre des parties permettant l'assemblage représente au minimum du périmètre de la section intérieure de la partie médiane -(M) > (L) > U (M) REVENDICATIONS 1 Corps creux en forme de barre constitué par des matières plastiques renforcées par des fibres et permettant notamment la transmission d'efforts de compres- sion, de traction, de flexion et de torsion dans des engins de transport (véhicules automobiles, avions, astronefs), caractérisé en ce qu'il comprend une partie médiane en forme de tube qui se prolonge des deux côtés par des parties ayant une section intérieure moindre et faisant corps avec elle et en ce que les fibres de renforcement sont constituées par un polymère organique synthétique (aramide), 2 Corps creux selon la revendication 1, carac- térisé en ce que la partie médiane a une section intérieure à peu près circulaire, et en ce que les parties permet- tant l'assemblage ont une section intérieure limitée par deux parois rectilignes parallèles dont la longueur est comprise entre la moitié et la totalité du diamètre de la section circulaire, ces parties parallèles permettant l'assemblage comportant des trous orientés normalement. aux parois planes et coupant l'axe longitudinal du tube qui servent à la transmission des efforts de traction et de compression et des moments de torsion - 3 Corps creux selon la revendication 1, carac- térisé en ce que les extrémités des parties de section intérieure moindre ont une section circulaire, de sorte que le corps creux comporte des parties terminales coniques. 4 Corps creux selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le périmètre de la section intérieure de la partie médiane et le périmètre de la section des parties permettant l'assemblage sont égaux ou que le périmètre des parties permettant l'asserhblage représente au minimum JL du périmètre de la section intérieure de la partie médiane > -L) > ULÄL 2.532581 Corps creux selon la revendication 1, carac- térisé en ce que ses parties terminales ont une épaisseur de paroi plus forte. 6 Corps creux selon la revendication 1, carac- térisé en ce que deux bandes situées l'une en face de l'autre et orientées dans le sens de la longueur du corps creux ont une épaisseur de paroi plus forte et, de ce fait, permettent au corps creux de mieux supporter une charge latérale, dont l'action s'exerce normalement au niveau des bandes de plus forte épaisseurs 7 Corps creux selon la revendication 1, carac- térisé en ce qu'il est constitué par une matière plas- tique renforcée par des fibres de carbone et que les couches extérieures du tube renforcées par des fibres de carbone sont constituées par un tissu de verre ou un tissu d'aramide assurant la protection des fibres de carbone sensibles et l'isolation électrique entre les fibres de carbone et les éléments en aluminium qui peu- vent être placées dessus. 8 Procédé de fabrication de corps creux en forme de barre constitué par une matière plastique renforcée par des fibres, dans lequel on applique sur un tuyau souple un matériau contenant des fibres imbibées de résine synthétique, on introduit le produit ainsi obtenu dans un moule creux dans lequel une pression s'exerce de l'intérieur, et on provoque le durcissement, carac- térisé par les opérations successives suivantes: a) un tuyau souple constitué par un matériau élas- tique est placé sur une forme épousant le contour inté- rieur du corps creux en forme de barre, b) le matériau fibreux préalablement imprégné est appliqué sur le tuyau souple et fortement comprimé contre lui ou contre le noyau intérieur On place aux extrémités des enroulements périphériques, c) la bande ainsi obtenue est introduite dans le moule creux, d) le tuyau souple est fermé hermétiquement à ses extrémités et soumis à l'action d'une pression, e) le tuyau souple est introduit dans le moule creux o il est soumis de l'intérieur à une pression déterminée et l'élément de construction est durci à haute température, f) après le durcissement du corps creux et la dis- sociation du noyau, on fait le vide dans le tuyau souple pour l'extraire de l'élément de construction. 9 Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le tuyau souple, constitué par un matériau élastique isotrope, est adapté au-contour intérieur voulu du fait qu'il est monté sur une barre de stabili- sation dont le diamètre correspond au diamètre de l'évi- dement du trou de l'élément de construction, entre deux parties coniques qui épousent exactement la forme des parois coniques de l'élément de construction et assurent en même temps la fermeture hermétique du-tuyau. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le tuyau souple est tiré sur un noyau solide constitué par une matière plastique expansée ou formée d'une mousse qui, pendant le durcissement et sous l'ac- tion de la pression intérieure dans le tube, se rétrécit suffisamment pour qu'on puisse l'extraire par l'évidement de l'élément de construction terminé. 11 Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le tuyau souple est tiré sur un noyau solide constitué par un matériau pulvérulent soumis à l'action du vide qui, lorsque le vide cesse, devient fluide après l'application des couches et, de ce fait, peut être extrait de l'élément de construction après le durcis- sement. 12 Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le tuyau souple est tiré sur un noyau solide constitué par un matériau fondant à basse température, par exemple du métal de Wood ou de la glace, en ce que l'application des couches a lieu à la même température et qu'après le durcissement le noyau est extrait de l'élément de construction à une température supérieure à la température de montage.