Brevet FR2568818A1 — publié le 19860214

Procédé de fabrication d'un matériau composite, armé de fibres orthogonales, de forme annulaire et appareil de bobinage pour la mise en oeuvre du procédé. La présente invention a pour objet un procédé et un appareil de bobinage permettant de réaliser sur une enceinte ou un mandrin de forme torique ou annulai- re, deux bobinages simultanément selon deux directions orthogonales: une première famille de mèches de plu- sieurs milliers de fibres est enroulée selon un bobina- ge dit circonférentiel suivant les grands cercles du tore; une deuxième famille de mèches est bobinée si- multanément selon un bobinage dit torique suivant les petits cercles de ce même tore. Le procédé s'applique plus précisément, soit au frettage d'une capacité de forme torique, soit à l'élaboration directe d'un composite à partir d'un man- drin éliminable, par exemple par fusion, lorsque Le composite, ayant été imprégné et polymérisé, a acquis sa rigidité et sa solidité définitives. Elle permet notamment l'utilisation de fi- bres continues de matériaux très fragiles tels les fi- bres d'aramides, de verre ou de graphite, d'un diamètre très fin, notamment compris entre 7 et 12 micromètres. On connaît déjà, dans l'industrie électrique américaine, un procédé de bobinage torique utilisant un fil de cuivre émaillé que L'on met en place sur un support de forme annulaire. Toutefois, ce bobinage est uniquement unidirectionnel, c'est-à-dire en l'occur- rence selon les petits cercles du tore et d'autre part, ce bobinage est obtenu à l'aide d'une navette annulaire ouvrante et rechargeable dont la tension du fil au fur et à mesure de son déroulement est assurée par friction de ce dernier, ce qui serait inacceptable dans le cas de fibres de très petit diamètre et très fragiles tel- les que celles que l'on utilise dans la présente inven- tion. La présente invention a précisément pour ob- jet un procédé de fabrication d'un matériau composite armé de forme annulaire, caractérisé en ce que L'on réatise sur une enceinte ou un mandrin de forme annu- laire, notamment torique, deux bobinages simultanés selon deux directions orthogonales, à savoir respecti- vement un bobinage circonférentiel selon Les grands cercles du tore et un bobinage torique selon les petits cercles du tore, de deux familles de mèches de plu- sieurs milliers de fibres très fines, d'un diamètre de L'ordre d'une dizaine de micromètres, d'un matériau choisi parmi les aramides, le verre et le graphite, puis en ce que L'on réalise ensuite une imprégnation à chaud sous vide par une résine (ou tout autre impré- gnant) du bobinage ainsi obtenu suivie d'une polyméri- sation de la résine ou solidification de L'imprégnant ou encore d'une vulcanisation. Comme on le voit et conformément à l'inven- tion, la caractéristique essentielle du procédé de fa- brication d'un matériau composite bidirectionnel rési- de dans lei fait de pratiquer sur un mandrin torique simultanément deux bobinages selon des directions or- thogonales. Cette particularité permet de produire un matériau composite armé de forme annulaire ayant toute épaisseur désirée en fonction des utilisations que l'on souhaite en faire. La présente invention a également pour objet un appareil de bobinage simultané selon deux directions orthogonales de deux familles de mèches de fils sur un - mandrin de forme annulaire, notamment torique, caracté- risé en ce qu'il comprend en combinaison: - un système de supportage et de mise en rotation au- tour de son axe du mandrin annulaire, - un systkme d'alimentation à tension constante de la première famille de mèches de fiLs permettant son en- roulement selon les grandes circonférences du mandrin annulaire, - une navette ouvrante de forme circulaire, apte à en- tourer le petit diamètre du mandrin, supportée par des galets d'entraînement en rotation autour de son axe et supportant des magasins autofreinés à dévi- dage en tension constante, engendrant la deuxième famille de mèches de fil permettant son enroulement selon des petits cercles du tore. Selon l'invention, le procédé et l'appareil utilisés permettent l'emploi de fibres très fragiles à haut module grâce notamment au guidage du fil par des surfaces roulantes et à la régulation de la tension de ce dernier par action indirecte sur les bobines de dé- vidage. Cette caractéristique très importante permet de conserver les propriétés originelles du matériau dans des composites à haute performance. Le bobinage torique ainsi obtenu est disposé selon deux dimensions orthogonales, l'une dite circon- férentielle suivant les grands cercles du tore et l'autre dite torique suivant ces petits cercles. Les deux bobinages précédents interagissent entre eux, le second assurant le maintien en place du premier, mais chacun assume séparément la prise en charge de ses con- traintes propres lorsque le matériau composite final subit, au cours de son utilisation, des contraintes de natures diverses et notamment des surpressions internes élevées. Les tensions de précontrainte des mèches cir- conférentielles peuvent obéir à un gradient de tensions programmé en fonction de l'utilisation du produit fini. Par ailLeurs, la souplesse de répartition de La nappe de fils circonférentiels permet d'affiner la prise en charge des contraintes mécaniques par réparti- tion de l'armature du composite puisqu'on peut réaliser par Le procédé de bobinage, objet de L'invention,une répartition des armatures à la demande en fonction, dans chaque cas particulier, des contraintes que devra absorber le matériau composite armé terminé. On peut notamment ainsi, en cours de bobinage, rééquilibrer l'épaisseur du matériau composite pour lui donner une valeur constante ou au contraire apporter, par suré- paisseur une couche ablattabLe utile dans certaines applications. D'autres particularités géométriques du bo- binage obtenu sont intéressantes à noter et notamment le fait que le bobinage torique délivre grâce à la na- vette ouvrante la même quantité de fibres tout autour des cercles de petit diamètre du tore et détermine par conséquent une variation d'épaisseur entre la zone externe et la zone interne qui est inversement propor- tionnelle au rapport des grands diamètres externe et interne du tore. Cette particularité laisse place à L'armature circonférentielle plus utile sur l'exté- rieur du tore, tout en rétablissant une constance de l'épaisseur finale, elle peut être-corrigée comme il vient d'être expliqué précédemment en cas de besoin pour certaines applications particulières.- Selon l'invention, les mèches de la première famille de fils destinées à L'enroulement de la nappe circonférentielle sont amenées au travers de guide-fils d'un type classique sous une tension constante pour chacune d'elles et préréglée à une valeur désirée. Les systèmes de répartition et d'alimentation de ces mèches sous tension sont bien connus de l'homme de l'art et, ne faisant pas partie de l'invention, ne sont donc pas décrits dans la présente demande. Les fils de cette première famille de mèches sont amenés tangentiellement aux grands cercles externes du mandrin torique lesquels tournant autour de leur axe provoquent ainsi leur en- roulement progressif selon une vitesse programmée à l'avance. La navette ouvrante de forme circulaire qui entoure le mandrin torique contient un certain nombre de bobines constituant la réserve de la deuxième famil- le de mèches de fils et c'est par rotation autour de son axe qu'elle enroule ainsi cette deuxième famille de mèches sur le mandrin de forme torique selon des petits cercles du tore.- Les fils sont libres sur les bobines mais celles-ci possèdent chacune un système d'autofrei- nage régulé par la réaction de la poulie guide-fils qui assure, lors du déroulement du fil une tension constan- te de celui-ci. On évite ainsi à la fois les risques de rupture par surtension ou une tension insuffisante source de glissement de la nappe orthogonale ou d'effet de matelassage lors d'un bobinage plus énergique des couches ultérieures. Selon l'invention, le mandrin recouvert de fibres toriques est mû en rotation par un jeu de trois galets diabolo déterminant des vés tournants à 90 et assurant un mouvement tangentiel perpendiculaire aux fibres, leur constitution en-élastomère assure un con- tact large respectant l'intégrité des fibres. La même matière constitue les galets à joues d'entraînement de la navette et assure dans ce cas un bon frottement d'entraînement du fil sans pour autant provoquer une usure anormale ou des risques de cassure. Ces diabolos ou galets d'entraînement sont mus par un motoréducteur à variateur d'un type classique en soi connu. L'invention trouve de nombreuses applica- tions dans des domaines de natures diverses et l'on peut citer notamment la fabrication de réservoirs sou- pLes ou rigides destinés à contenir des fluides liqui- des ou gazeux sous pression. Elle peut encore être uti- Lisée avec toute satisfaction pour réaliser des encein- tes sous vide d'appareils accélérateurs, notamment du type cyclotron. Des modes de réalisation plus particu- liers, dans lesquels Le matériau composite armé conser- verait une certaine souplesse, pourraient être utiLisés sous pression comme pneumatiques à haute performance, par exemple pour les trains d'atterrissage d'avions. Dans ce cas, il peut être intéressant de réaliser le matériau composite armé en accroissant volontairement la nappe de fils circonférentiels de façon à réaliser ainsi une couche externe ablattable qui serait consom- mée au fur et à mesure de l'usure du pneu. Dans le cas o le matériau composite, objet de l'invention, est utilisé pour des enceintes sous vide ou devant contenir des liquides ou des gaz sous pression, l'enceinte ou mandrin torique d'origine doit être évidemment munie d'une ouverture en forme de queusot comprenant éventuellement une valve. Dans ce cas, si le queusot est situé hors d'une zone d'enroule- ment circonférentiel, il évite des suggestions de con- tournement par ces fibres. Par contre la séparation- répartition des fibres toriques de part et d'autre du queusot s'automatise en coiffant le queusot d'une ogi- ve. L'étape d'imprégnation à chaud de préféren- ce sous vide de l'armature du composite à l'aide d'une résine ou d'un imprégnant convenable, suivie d'une polymérisation de cette résine, est en soi d'un type parfaitement classique et ne fera donc l'objet d'aucu- ne description particulière dans la présente demande. Il faut tout de même tenir compte de la compatibilité thermique entre seuil de polymérisation de la matrice et fusion du mandrin dans le cas o ce dernier doit être évacué par fusion. De toute façon, l'invention sera mieux com- prise à La lecture de la description qui suit d'exem- ples de réalisation d'un matériau composite armé, exemples qui seront donnés à titre surtout illustratif et non limitatif en se référant aux figures 1 à 4 sur lesquelles: - la figure 1 est un schéma théorique qui montre dans l'espace la façon dont sont pratiqués les deux bobinages orthogonaux caractéristiques de l'in- vention, - la figure 2 montre en coupe selon un plan diamétral du matériau composite annulaire, une consti- tution possible d'un tel composite. - la figure 3 montre une vue d'ensemble de l'appareil de bobinage, objet de l'invention, - la figure 4 montre en coupe selon XY de la figure 3, certains détails de ce même appareil. Sur la figure 1, on a représenté, sous forme partiellement sectionnée, l'enceinte ou mandrin de forme annulaire 1 comportant dans l'exemple décrit un conduit 2 de communication avec l'intérieur. Ce man- drin annulaire 1 est maintenu en position par un cer- tain nombre de galets 3, ici au nombre de trois, qui ont un profil en diabolo et servent à la fois à main- tenir le mandrin I dans l'espace et à le mettre en rotation autour de son axe suivant la direction de la flèche Fl. Sur cette même figure, on voit, représentée très schématiquement en pointillés, la navette ouvran- te circulaire 4 munie des trois bobines de fils 5. Cette navette ouvrante 4 est mue en rotation autour de son axe par des galets non représentés sur la figure 1 selon la direction de la flèche F2. Une première famille 6 de mèches de plusieurs milliers de fibres arrivant sous tension constante est ainsi enroulée circonférentiellement le long de l'en- ceinte ou du mandrin I du fait de la rotation de celui- ci; simuLtanément, La rotation de la navette ouvrante 4 permet le dérouLement progressif de La deuxième fa- mille de mèches de fils stockés sur Les bobines 5, qui vient ainsi se superposer orthogonaLement à La première en s'enroulant autour des petits cercles du tore de L'enceinte-mandrin 1, constituant ainsi le deuxième enroulement du matériau composite en cours d'élabora- tion. Sur la figure 2, on a montré en coupe un com- posite de forme annulaire à section droite rectangulai- re et sur lequel on voit à La fois l'enceinte-mandrin de démarrage 1 et les différentes couches de bobinage orthogonaux 6 et 7 constituant l'armature proprement dite du matériau composite armé. Le conduit 2 relie L'intérieur et l'extérieur du composite en traversant Les couches de bobinage. On conçoit facilement qu'un tel matériau une fois imprégné et polymérisé puisse avoir une résistance mécanique à l'écrasement ou à la pression interne particulièrement élevée. Sur la figure 3, qui montre une vue générale de l'appareiU de bobinage simultané des deux familles de mèches de fils précédentes, on voit un bâti 8 sup- portant à la fois les trois galets en diabolo 3 qui maintiennent le mandrin torique 1 en assurant sa rota- tion dans le sens de la fLèche Fl. Ces trois diabolos 3 qui sont de préférence en élastomère sont solidaires en rotation à l'aide d'une chaine de transmission 9 pas- sant sur des pignons et mise en rotation à l'aide du motoréducteur 10 qui comporte, bien entendu, des moyens de réglage de la vitesse de défilement de la chaîne 9 en fonction des impératifs de la fabrication. La régu- lation de la pression de contact des trois diabolos est un élément essentiel dans la qualité du produit bobiné, leurs positions relatives doivent admettre l'expansion de la pièce en cours de bobinage. Le dispositif d'en- trainement simultané des trois galets doit suivre Leur écartement. La première nappe ou famiLle de mèches de fils 6 est visible au sommet de La figure et arrive au travers d'un guide fils 11 d'un type en soi connu sous une tension constante pour être enroulée circonféren- tielLement sur Le mandrin annulaire 1. SeLon L'invention, L'appareiL contient éga- Lement une navette ouvrante 4 -dont on voit sur La figu- re Les gaLets de maintien dans L'espace et d'entrafne- ment 14 ici au nombre de quatre, tous mis simultanément en rotation à L'aide d'une chaîne d'entraînement 12 mue par un motoréducteur 13. Cette navette ouvrante 4 est disposée dans L'espace de façon à être située et main- tenue dans un plan diamétral du mandrin torique 1. Elle supporte les bobines 5 contenant la deuxième famille de mèches de fils. Pour plus de clarté, ces bobines 5 n'ont été que suggérées en traits mixtes sur la figure 3. Leur freinage autoréguLé permet néanmoins, selon l'invention, l'enroulement à tension constante selon des petits cercles du mandrin torique 1 de la deuxième famille de mèches de fils. La figure 4 qui est une coupe selon XY de la figure 3, c'est-à-dire dans te plan de la navette ou- vrante 4, permet de comprendre plus en détail notamment le système d'autoréduction du freinage des bobines 5 qui distribue la deuxième famille de mèches de fils destinés à être enroulés selon des petits cercles du mandrin torique 1. Sur cette figure 4, on voit l'un des diabolos 3 de maintien et de mise en rotation du man- drin torique 1 par l'intermédiaire de l'arbre 15 et de la chaîne 9; on voit également les quatre galets à joues 14 d'entrainement de la navette ouvrante 4 mus par la chaîne de transmission 12 et le motoréducteur à variateur 13. Bien entendu, la navette ouvrante 4 pos- sède une possibilité d'ouverture schématisée en 16 et qui permet de L'insérer autour du mandrin torique 1 sur LequeL on veut bobiner Les deux famiLtles orthogonales de fiLs. La figure 4 permet surtout de comprendre ta disposition et Les mécanismes de freinage autoréguté des trois bobines 5 d'aLimentation en fits du bobinage dit torique. Ces trois bobines 5 sont montées sur des portebobines 22 fixés sur la navette ouvrante 4. Sur Le porte-bobine 22 de chacune d'entre elles est articu- lé, autour d'un axe 17, un levier 18 de forme coudée et comportant à une de ses extrémités, une pompe à ressort réglable 19 et à l'autre extrémité une pouLie à gorge guidant le dévidement du fil 21 et réagissant sous la tension de ce fil pour réduire l'action du ressort 19 tout en disposant la deuxième famiLLe de fibres di- tes "torique". Ce levier coudé 18 chevauche la gorge de La bobine 5 pour y maintenir dans L'axe la pouLie guide , il porte sur sa partie latérale à la bobine un patin de friction 23 exerçant L'action de freinage sur la jante de la bobine 5. Le fonctionnement de cette structure est Le suivant, Lors du déroulement de La deuxième famiLle de fils dite "torique", le rayon de déroulement sur la bobine 5 se réduit; si le couple de freinage de 19 sur 18 restait constant la tension du fil 21 croatrait en proportion inverse du rayon de dévidage. L'autorégula- tion du freinage natt du couple antagoniste au freinage créé par La tension du fil sur la poulie 20, qui est elle-même sollicitée à se rapprocher du mandrin 1, ce qui comprime le ressort 19 et permet au levier 18 d'exercer un allégement de la fonction de freinage du patin 23 sur la bobine 5. On garantit de cette façon une avance correcte du fil 21 sous une tension constan- te. Le procédé et l'appareil objets de L'inven- tion permettent ainsi d'obtenir des composites non mé- talliques qui, en fonction du choix de leur nature sont soit conducteurs êlectriques, soit isolants; ces par- ticularités sont intéressantes, notamment dans le do- maine du génie nucléaire ou de décharge statique sur avions. Il est important de noter enfin que lorsque les deux bobinages orthogonaux précédents sont réalisés à L'aide de fibres de carbone ou de verre, c'està-dire de matériaux producteurs de poussières dangereuses pour les bronches des utilisateurs, il est judicieux de pré- voir des protections du personnel telles que par exem- ple des aspirateurs situés aux points de fatigue de la fibre mise en oeuvre. C'est notamment le cas au niveau des peignes, des poulies guides, des bobines de navette et, de toute façon, un contr8le permanent de la qualité de l'atmosphère dans laquelle travaille le personnel est éminemment souhaitable. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un matériau com- posite armé de forme annuLaire, caractérisé en ce que L'on réalise sur une enceinte ou un mandrin (1) de for- me annulaire, notamment torique, deux bobinages simuL- tanés seLon deux directions orthogonales, à savoir res- pectivement un bobinage circonférentiel (6) selon les grands cercles du tore et un bobinage torique selon Les petits cercles du tore, de deux familles de mèches de plusieurs milliers de fibres très fines, d'un diamètre de l'ordre d'une dizaine de micromètres, d'un matériau choisi parmi Les aramides, le verre et Le graphite, puis en ce que l'on réalise ensuite une imprégnation à chaud sous vide par une résine époxy ou autre matrice appropriée du bobinage ainsi obtenu, suivie d'une poly- mérisation de cette résine ou vulcanisation ou durcis- sement de ladite matrice. 2. Appareil de bobinage simultané selon deux directions orthogonales de deux familles de mèches de fils sur un mandrin de forme annulaire, notamment tori- que, caractérisé en ce qu'il comprend en combinaison: - un système (3) de supportage et de mise en rotation autour de son axe du mandrin annulaire (1), - un système d'alimentation à tension constante (11) de la première famille (6) de mèches de fils permettant son enroulement selon des circonférences du mandrin annulaire (1), - une navette ouvrante de forme circulaire (4), apte à entourer le mandrin (1), supportée par des galets d'entraînement en rotation (14) autour de son axe et supportant des bobines à freinage autorégulé (5) ser- vant de stockage à la deuxième famille de mèches de fil permettant son enroulement selon des petits cer- cles du tore.