Brevet FR2531904A1 — publié le 19840224

i 2531904 La présente invention concerne l'enroulement de fila- ments, pendant lequel des fibres sont enroulées sur un mandrin puis imprégnées d'une résine afin que l'ensemble forme un objet de matière plastique armée de fibres. Lorsque la résine a durci ou polymérisé (l'opération pouvant nécessiter un traitement thermique), il faut habituel- lement que le mandrin soit retiré de l'intérieur de l'objet. Lorsque ce dernier est par exemple tubulaire avec des extrémi- tés ouvertes, le mandrin peut être simplement retiré en une seule pièce par une extrémité de l'objet Dans le cas d'objets ayant une forme interne plus complexe, le démontage du mandrin en plus petits éléments, chacun étant suffisamment petit pour pouvoir être retiré de l'objet, peut être nécessaire, mais la complexité du mandrin est évidemment accrue On connaît aussi la fabrication de mandrins en un matériau qui peut ensuite être retiré par dissolution dans un solvant convenable le retirant de l'intérieur de l'objet mais, dans le cas des objets de grandes dimensions, cette dissolution peut prendre un temps considérable On a considéré que les matières en mousse ne convenaient pas pour la réalisation de mandrins à cause de leur faible résistance mécanique, comme décrit par exemple à la page 249 de l'ouvrage "S Pl Handbook of Technology and Engineering of Reinforced Plastics/Composites", 2 e Edition, de J G Mohr et al, Van Nostrand Reinhold Co, 450 West 33rd Street, New York, N Y, appelé, dans la suite du présent mémoire, "manuel SPI". Selon l'invention, dans un procédé de fabrication d'un objet de matière plastique armée de fibres, comprenant- des opérations d'enroulement de filaments sur un mandrin, d'imprégnation des filaments d'une résine puis de durcissement de la résine, les filaments sont enroulés sur un mandrin qui comprend une matière cellulaire de masse volumique relative- ment faible placée autour d'une colonne axiale rigide. Le mandrin peut comporter plusieurs tronçons ayant chacun une matière cellulaire de masse volumique relativement faible, et, après enroulement des filaments sur le mandrin, le procédé peut comprendre le durcissement ou la polymérisa- 2 2531904 tion partiel de la résine, l'extraction d'un tronçon du mandrin, la mise des filaments imprégnés de résine à la con- figuration des tronçons restants du mandrin, puis la fin AF du durcissement de la résine O La matière cellulaire peut être formée d'une matière constituant une mousse qui peut être par exemple une mousse de polyuréthane ou de phénol-formaldéhyde Dans une variante, la matière cellulaire peut comprendre des capsules creuses liées les unes aux autres par un liant. Le procédé peut aussi comprendre l'enlèvement du mandrin de l'intérieur de l'objet par broyage de la matière cellulaire. Le mandrin peut délimiter au moins une gorge à sa face-externe, afin que l'objet de matière plastique armée de fibres soit creux et comporte une nervure interne corres- pondante, la gorge dans le mandrin pouvant être par exemple circonférentielle, longitudinale ou délimitée par des gorges hélicoïdales placées en regard La nervure résultante formée à la face interne de l'objet peut avoir diverses fonctions, par exemple la constitution de nervures internes augmentant la rigidité ou la résistance de l'objet dans des directions convenables Dans une variante, le mandrin peut supporter un élément rapporté, tel qu'un flasque interne, destiné à être incorporé à l'objet lorsque les filaments sont enroulés. L'objet peut cependant avoir une structure à réseau ouvert, les éléments du réseau ayant une coupe et un trajet déter- minés par les gorges formées dans le mandrin, et les gorges peuvent se trouver le long de lignes géodésiques ou non. L'invention concerne aussi un objet fabriqué par mise en oeuvre du procédé de l'invention, et l'objet peut être creux et formé de matière plastique armée de fibres qui est en outre armée intérieurement par une matière cellu- laire de masse volumique relativement faible - Il faut noter que les filaments peuvent être impré- gnés de la résine avant, pendant ou après l'enroulement sur le mandrin. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention 3 2531904 ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une perspective schématique d'une machine destinée à enrouler des filaments la figure 2 est une coupe axiale d'un mandrin destiné à être utilisé dans la machine de la figure 1, la figure 2 a est une coupe agrandie d'une partie de mandrin de la figure 2, dans le cercle A; la figure 3 est une coupe suivant la ligne III-III de la figure 2; la figure 4 est une coupe d'une variante de mandrin, différant de celui de la figure 2, la figure 4 a est une coupe agrandie de la partie du mandrin de la figure 4 comprise dans le cercle A; la figure 5 est une coupe d'un objet formé a l'aide du mandrin de la figure 4; la figure 6 est une coupe axiale d'un autre exemple de mandrin selon une variante de celui de la figure 2; la figure 7 est une coupe suivaiht la ligne VII-VII de la figure 6; et la figure 8 est une coupe d'un objet fabriqué à l'aide du mandrin de la figure 6. Comme l'indique la figure 1, une machine 10 d'enrou- lement de filaments comporte un organe 12 de base et des organes opposés 14 et 16 placés aux extrémités Une vis-'mère- disposée entre les organes 14 et 16 coopère avec un dispo- sitif 22 de distribution de filaments qui est mobile le long de l'organe 12 de base Un mandrin 30 qui a un arbre central 32 d'acier est monté entre une poupée 34 supportée par un arbre rotatif 35 placé dans l'organe 14, et une contre-poupée 36 supportée par un arbre 37 qui peut tourner librement dans l'organe 16 Lors du fonctionnement de la machine 10, le mandrin 30 est entraîné en rotation par un moteur électrique (non représenté) raccordé à l'arbre 35, et ce moteur électri- que, par l'intermédiaire de réducteurs convenables, provoque simultanément la rotation de la vis-mère 20 et ainsi le déplacement de l'organe distributeur 22 le long de la vis- 4 2531904 mère 20, avec enroulement d'un filament 40 (par exemple formé de fibres de carbone) autour du mandrin 30. On se réfère maintenant aux figures 2 et 3 qui repré- sentent un mandrin 50 qui comporte un arbre rectiligne 54 d'acier dont les parties d'extrémité 56 et 58 sont exposées et sont destinées à être montées entre la poupée 34 et la contre-poupée 36 de la machine 10 de la figure 1 Deux jeux de quatre ailettes radiales régulièrement espacées 60 dépas- sent de l'arbre 54 et jouent le rôle d'une clavette empêchant la rotation relative de l'arbre 54 et d'une partie 66 du man- drin forméepar moulage par injection dbne mousse de polyu- réthane de faible masse volumique autour de l'arbre 54 La partie 66 du mandrin a des faces planes 62 et 64 d'extrémité et elle est coaxiale à l'arbre 54 entre une partie 56 d'extré- mité et une autre partie 58 d'extrémité La partie 66 du mandrin comporte deux parties 70 et 72 de forme conique tron- quée dont les bases sont raccordées par une partie cylindrique 74 Une gorge circonférentielle 78 est formée autour de la partie cylindrique 74 par usinage ultérieur La partie 66 du mandrin a une masse volumique de 50 kg/m 3 et comporte des bulles 80 de gaz dans un liant 82 de polyuréthane, comme représenté schématiquement sur la figure 2 a. Lors de l'utilisation du mandrin 50 pour la fabrica- tion d'un objet de matière plastique armée de fibres, ce mandrin est monté dans la machine 10 de la figure 1 et une couche 90 de filaments imprégnés d'une résine (voir figure 3) est enroulée sur la surface courbe de la partie 66, les sur- faces planes 62 et 64 d'extrémité restant exposées La surface courbe de la partie 66 donne ainsi sa forme à la surface interne de l'objet La résine est alors polymérisée par trai- tement thermique à une température de 160 'C si bien que la couche 90 durcit Le mandrin 50 peut alors être retiré de l'intérieur de l'objet par broyage de la mousse de polyu- réthane de la partie 66, par exemple par écrasement ou à l'aide d'une perceuse électrique (non représentée). Bien qu'on ait indiqué que l'arbre 54 possédait des ailettes 60 dépassant radialement,il faut noter que, dans 2531904 certains cas, aucun clavetage matériel n'est nécessaire entre l'arbre 54 et la partie 66 du mandrin, et les ailettes 60 peuvent être supprimées Il faut aussi noter que, lorsque l'objet n'est pas nécessairement creux, l'arbre 54 peut être retiré du mandrin 50 après la formation de l'objet, la mousse de polyuréthane-restant dans l'objet, l'augmentation résultante de poids de celui-ci étant faible La retenue de la mousse de polyuréthane peut aussi accroître la résistance de l'objet à la rupture du fait du flambage sous les charges de compres- sion. Le cas échéant, des éléments rapportés du mandrin. Dans une variante de l'utilisation d'un mandrin en une seule pièce, on peut utiliser un mandrin comprenant un certain nombre de tronçons, par exemple comme représenté sur la figure 4. La figure 4 représente une variante de mandrin 100 qui a un arbre 102 d'acier qui peut être monté entre la poupée 34 et la contre-poupée 36 de la machine 10 d'enroulement de filaments de la figure 1 L'arbre 102 est disposé le long de l'axe d'une partie 104 de mandrin de forme prismatique ayant une section générale triangulaire mais comportant une gorge 106 en V le long d'un bord Une seconde partie 110 de mandrin s'emmanche dans la gorge 106 et sa surface exposée 112 est 6 2531904 formée de deux surfaces planes 114, 116 qui sont coplanaires chacune à la surface adjacente de la partie 104 de mandrin et qui convergent vers une surface convexe courbée 118 La configuration de la seconde partie 110 de mandrin est telle que la distance mesurée le long de la surface de la gorge 106 entre les sommets A et B, de part et d'autre de la gorge 106, est égale à la distance mesurée entre A et B le long de la surface exposée 112 de la seconde partie 110 de mandrin. La seconde partie 110 de mandrin est formée d'une mousse de polyuréthane de faible masse volumique, alors que la partie 104 de mandrin (comme représenté schématiquement sur la figure 4 a) contient des umicrosphères" creuses de verre liées par une résine polyester 122 et moulées par injec- tion autour de la tige 102. Lors de l'utilisation du mandrin 100 pour la fabri- cation d'un objet 130 de matière plastique armée de fibres, représenté sur la figure 5, le mandrin 100 est monté sur la machine 10 de la figure 1, et une couche 124 de filaments imprégnés d'une résine (par exemple des fibres de verre) est enroulée autour du mandrin 100 afin qu'elle enveloppe la partie 104 et la surface exposée 112 de la seconde partie La couche 124 subit alors un traitement thermique con- trôlé assurant une polymérisation partielle de la résine. Ce traitement rend la couche 124 suffisamment rigide pour que la seconde partie 110 de mandrin puisse être retirée de l'intérieur de la couche 124, par effritement ou broyage, comme décrit en référence au mandrin 50 de la figure 2. La couche 124 est alors chauffée suffisamment pour que la résine se ramollisse, et elle peut ainsi se déformer afin qu'elle prenne la configuration de la gorge 106 formée dans la partie 104 du mandrin La couche 124 est finalement polymérisée et consolidée-par moulage dans un sac en dépres- sion, donnant à l'objet 130 la configuration de la partie 104 de mandrin comme représenté sur la figure 5 Le moulage sous vide dans un sac est décrit aux pages 77 à 94 du "manuel SPI" Lors du moulage dans un sac sous vide, la couche 124 et la partie 104 de mandrin sont essentiellement entourées 7 2531904 par un sac étanche et souple (non représenté) qui est mis sous vide si bien que la couche 124 est comprimée par la pression atmosphérique, alors qu'elle est simultanément chauffée-par un dispositif de chauffage par irradiation -* (non représenté) Il faut noter que l'arbre 102 et la partie 104 de mandrin peuvent ensuite être retirés de l'intérieur de l'objet 130, le cas échéant. Il faut se rendre compte que les objets ayant plus d'une surface concave ou rentrante peuvent être' réalisés avec des mandrins de forme convenable, et les figures 6 et 7 auxquelles on se réfère maintenant représentent un mandrin destiné à la réalisation d'une poutre 175 en I d'une matière plastique remplie de mousse et armée de fibres comme représenté sur la figure 8 Le mandrin 150 a deux plaques circulaires 152 et 154 d'extrémité forméesd'acier et un axe 156 et 158 est disposé axialement à partir de chaque plaque d'extrémité 152 et 154, si bien que le mandrin 150 peut être monté entre la poupée 34 et la contre-poupée 36 de la machine de la figure 1 Un organe 160 de mise en forme qui est relativement rigide, qui a une section en I et qui eslt formé d'une mousse de polyuréthane "haute densité" de masse volumi- que de l'ordre de 400 kg/m 3 est placé le long de l'axe longi- tudinal du mandrin 150 entre les plaques 152 et 154 d'extré- mité Une partie 164 de mandrin formée d'une mousse dé polyu- réthane de faible densité, ayant une masse volumique de kg/m 3 et de forme générale hémicylindrique, réalisée de manière que la distance comprise entre les points C et D sur l'organe de mise en forme (voir figures 7 et 8) le long de la surface courbe de la partie 164 du mandrin soit égale à la distance comprise entre C et D le long de la surface de l'organe 160 de mise en forme, mesurée de chaque côté de cet-organe 160 Deux pointes 166 d'acier sont fixées à chaque- plaque 152 et 154 d'extrémité et' sont parallèles à l'axe lon- gitudinal du mandrin 150 afin-qu'ellés soient enrobées dans les extrémités des parties 164 de mandrin. Lors de l'utilisation, le mandrin 150 est monté sur la machine 10 d'enroulement des filaments de la figure 1, 8 2531904 et une couche 170 de filaments imprégnés d'une résine (voir figure 7) est enroulée autour du mandrin 150 afin qu'elle enveloppe -les faces externes des flasques de l'organe 160 de mise en forme en I et les surfaces courbes des parties 164. -5 La couche 170 est alors soumise à un traitement thermique contrôlé assurant une polymérisation partielle de la résine comme décrit précédemment en référence à la couche 124 des figures 4 et 5 Les plaques 152, 154 d'extrémité sont retirées, et les parties 164 de mandrin sont retirées par effritement, depuis l'intérieur de la couche 170 Cette dernière est alors suffisamment chauffée pour que la résine se ramollisse si bien que la couche 170 peut se déformer et prendre la configuration de la surface de l'organe 160 de mise en forme La couche 170 est finalement polymérisée et consolidée par moulage en sac sous-vide donnant la poutre en I 175 représentée sur la figure 8 L'organe 160 de mise en forme constitué d'une mousse haute densité peut rester dans la poutre 175 ou il peut être retiré par effritement. Il faut noter qu'un mandrin selon l'invention peut être formé avec des formes et coupes différentes de celles qu'on a décrites, et peut par exemple comprendre plusieurs tronçons alignés axialement, maintenus les uns contre les autres afin qu'ils donnent la configuration globale voulue, permettant par exemple le support d'un élément rapporté choisi qui doit être incorporé au mandrin Il faut aussi noter que d'autres matières cellulaires peuvent être utilisées et que les masses volumiques et les résistances à la compression qui sont disponibles sont comprises dans des plages très larges. Les masses volumiques de la mousse sont en général comprises entre 30 et 600 kg/m 3 Par exemple, on peut utiliser une mousse de phénolformaldéhyde ou une mousse contenant des sphères creuses d'une céramique ou d'un polymère, liées par une résine synthétique o une colle minérale peut convenir dans des cir- constances particulières On doit tenir compte de la masse volumique et de la résistance mécanique de la mousse, de l'effet des traitements thermiques utilisés pour la polymérisa- tion de la résine sur la mousse, et de la possibilité de réaction chimique entre la mousse et la résine. 9 2531904 REVENDICATIONS- 1 Procédé de fabrication d'un objet de matière plas- tique armée de fibres, du type qui comprend l'enroulement de filaments sur un mandrin, les filaments étant imprégnés d'une résine, la résine étant ensuite polymérisée, caractérisé en ce que le mandrin contient une matière cellulaire de masse volumique relativement faible placée autour d'une colonne axiale rigide. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mandrin ( 100) comporte plusieurs tronçons ( 104,110) formés chacun d'une matière cellulaire de masse volumique relativement faible. 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre la polymérisation partielle de la résine, l'enlèvement d'un tronçon ( 110) du mandrin ( 100-), la mise des filaments imprégnés de résine à la forme des tronçons restants ( 104) du mandrin ( 100), et l'achèvement de la polymérisation de la résine 4 Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le mandrin supporte un élément rapporté autour duquel les filaments doivent être enroulés et qui doit être incorporé dans l'objet. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface externe du mandrin ( 50) délimite au moins une gorge ( 78), et les filaments sont enroulés dans cette gorge ou dans ces gorges ( 78). 6 Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la surface externe du mandrin délimite plusieurs gorges sécantes, et les filaments sont enroulés dans les gorges. 7 Procédé selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que la gorge ou les gorges suivent des lignes géodésiques sur le mandrin. 8 Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que la gorge ou les gorges suivent des lignes non géodésiques sur le mandrin. 9 Procédé selon l'une quelconque des revendications 2531904 à 8, caractérisé en ce que les filaments ne sont enroulés que dans la gorge ou les gorges. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend le retrait du mandrin ( 50) de l'intérieur de l'objet par effritement de la matière cellulaire ( 66) après la polymérisation de la résine. 11 Objet de matière plastique armée de fibres, caractérisé en ce qu'il est fabriqué par mise en oeuvre d'un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8. 12 Objet de matière plastique ayant une structure à réseau ouvert, caractérisé en ce qu'il est préparé par mise en oeuvre du procédé selon la revendication 9. 13 Objet creux de matière plastique armée de fibres, caractérisé en ce qu'il est préparé par mise en oeuvre du procédé selon la revendication 10. 14 Mandrin d'enroulement de filaments destiné à la fabrication d'un objet de matière plastique armée de fibres, caractérisé en ce qu'il comporte une matière cellu- laire de masse volumique relativement faible placée autour d'une colonne axiale rigide ( 54). Mandrin selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs tronçons ( 104, 110) compre- nant chacun une matière cellulaire de masse volumique relati- vement faible. 16 Mandrin selon l'une des revendications 14 et , caractérisé en ce que la matière cellulaire est une matière en mousse. 17 Mandrin selon l'une des revendications 14 et 15, caractérisé en ce que la matière cellulaire comprend de nombreuses capsules creuses liées les unes aux autres par un liant. 18 Mandrin selon l'une quelconque des revendica- tions 14 à 17, caractérisé en ce qu'il délimite au moins une gorge ( 78) pour le passage des filaments à la surface externe du mandrin ( 50). 19 Mandrin selon l'une quelconque des revendi- 11 N 2531904 cations 14 à 18, caractérisé en ce qu'il est destiné à sup- porter un élément rapporté lui-même destiné à être incorporé à l'objet.