Brevet FR2567805A1 — publié le 19860124

Dispositif de fabrication par bobinage filamentaire d'une enveloppe creuse et enveloppe obtenue à l'aide du dispositif La présente invention concerne un dispositif pour réaliser, par bobinage filamentaire, une enveloppe creuse dont le profil est évolutif le long de son axe longitudinal comme c'est par exemple le cas d'une aile d'avion, de planeur ou d'une pale d'hélicoptère. Elle concerne également le produit obtenu par la mise en oeuvre de ce dispositif notamment une voilure d'aéronef comportant un état de sa surface extérieure voisin du "glacé". Il est connu de réaliser de telles enveloppes creuses en matériau composite à base de fibres imprégnées de résine polymérisable. Ces enveloppes, constituant notamment la peau d'ailes de planeurs sont réalisés selon une première technique, à partir de tissus de verre ou autre, imprégnés de résine et drapés, après découpe dans des moules creux, permettant d'obte- nir après polymérisation, le plus souvent sous vide, des demi- enveloppes. Celles-ci sont ensuite assemblées par collage après avoir mis en place les éléments d'armature de la struc- ture entre les deux demi-coquilles et les y'avoir fixes par exemple par collage. Les principaux inconvénients de cette technique résident dans la nécessité d'une main d'oeuvre im- importante et très qualifiée car de nombreuses opérations sont réalisées manuellement. Malgré la haute qualification des opérateurs, on constate qu'il persiste des défauts dont il faut tenir compte à la conception de la pièce en prévoyant des marges de sécurité importantes. Enfin, il est nécessaire de reprendre la pièce terminée pour effectuer les opérations de finition à la main (ébavurage du plan de joint et nolissaae), ces opérations conduisant à un coût de fabrication extrêmement élevé dont la composante principale est le prix de la main d'oeuvre mais qui comporte également un facteur non négliqea- ble dans les chutes de matière première utilisée et les rebuts. On a déjà proposé une seconde méthode pour réaliser ce type de produit qui consiste essentiellement à réaliser un bobinage filamentaire (avec fils,nappes ou rubans) imprégné de résine sur un mandrin sensiblement cylindrique puis à découper l'ébauche ainsi obtenue le long de deux génératrices du mandrin pour obtenir des feuilles qui sont ensuite dispo- sées dans des moules creux o, plaqués aux parois de ce moule, elles subissent une polymérisation de leur résine. Cette méthode permet d'éviter la main d'.oeuvre nécessaire au drapage de la technique précédente, et une certaine économie de matière, mais ne supprime pas les opérations d'assemblage des deux demi-coquilles obtenues ni les opérations de fini- tion. On a également pensé à procéder par enroulement fila- mentaire sur un mandrin creux déformable. Le mandrin est en fait une enveloppe gonflable sur laquelle le bobinage est réa- lisé à l'état gonflé puis on dégonfle cette enveloppe toujours équipée du bobinage non polymérisé pour l'introduire dans un moule creux dont l'empreinte correspond à la forme à obtenir. On regonfle alors le mandrin pour plaquer la peau bobinée contre les parois du moule. Le bobinage est alors polymérisé en forme. Cette méthode permet de mécaniser la production et donc d'en réduire le coût mais présente un inconvénient techni- que important dans le fait qu'il se produit un glissement des fibres les unes sur les autres entre la position dans laquelle elles sont bobinées sur le mandrin et la position dans laquelle elles sont mises en forme dans le moule et donc immobilisées par la polymérisation de la résine. Alors que la position d'enroulement est connue et maîtrisée, de même que la tension des fils, la position finale de ces derniers ainsi que leur état de contrainte n'est absolument pas maîtrisé ce qui peut nuire à la qualité et aux caractéristiques mécaniques escomp- tées du produit. L'invention entend remédier à ces inconvénients en proposant un dispositif par lequel on réduit le coût de fabri- cation tout en conservant au produit les caractéristiques mécaniques qui lui ont été conférées par la loi de bobinage. Grâce à ce dispositif en effet, on évite tout mouvement non contrôlé des fibres depuis le bobinage jusqu'à la polymé- risation. On parvient ainsi à garantir une utilisation optimale des propriétés des fibres qui par exemple sont maintenues en équitension, à obtenir un état de surface de la peau externe de l'enveloppe très satisfaisant et ne nécessitant aucune retouche ou aucun polissage ultérieur, tout en autorisant un processus de fabrication très mécanisé. A cet effet, l'invention a donc pour objet un dispo- sitif de fabrication par bobinage filamentaire d'une enve- loppe creuse de forme allongée dont le profil est évolutif le long de sa direction longitudinale et qui comporte une surface extérieure glacée, constitué par un mandrin déforma- ble sur lequel on réalise ledit bobinage au moyen d'un dispo- sitif d'amenée d'au moins un fil et par un moule dans lequel on enferme ledit mandrin pourvu du bobinage et par des moyens pour plaquer l'enveloppe ainsi réalisée contre les parois intérieures de la cavité du moule. Selon l'une des caractéristiques Principales de l'invention, le mandrin déformable susdit est constitué par un noyau profilé rigide dont la surface extérieure est, lors- qu'elle est disposée dans le moule, éloignée de la surface intérieure du moule d'une valeur sensiblement constante légè- rement supérieure à l'épaisseur de l'enveloppe à obtenir, tandis que les moyens pour plaquer ladite enveloppe sont cons- titués par une paroi souple d'une épaisseur au plus égale à la différence entre l'épaisseur de l'enveloppe et la valeur susdite, et mobile par rapport audit noyau entre une première position dans laquelle elle est plaquée sur la surface exté- rieure du mandrin et une seconde position dans laquelle elle est éloignée de ladite surface extérieure, et par des moyens de relâchement de la tension des fils du bobinage réalisé sur ladite paroi dans sa première position. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, la paroi mobile susdite est constituée par une vessie souple enveloppant de manière étanche au moins la majeure partie dudit noyau, l'espace délimité ainsi entre la surface exté- rieure du noyau et la vessie étant sélectivement connecté à une source de vide et une source d'amenée d'un fluide sous pression. En outre les moyens de relâchement de la tension du bobinage sont constitués par la disposition du fil sur le mandrin le long d'une trajectoire à glissement contrôlé. On rappellera à cet égard qu'une trajectoire à glissement con- trôlé est un bobinage, connu en lui-même, dont la loi permet d'enrouler un fil sur un mandrin, au moyen du dispositif d'amenée de ce fil, de manière que la lonqueur du fil fournie soit supérieure à la longueur du fil strictement nécessaire pour joindre deux points donnés de sa trajectoire sur le man- drin. Un autre moyen de relâchement qui peut être mis en oeuvre dans l'invention est constitué par les fils eux-mêmes qui possèdent, notamment lorsqu'ils sont en carbone, la pro- priété de se détendre après bobinage et avant la fin de la polymérisation de la résine, propriété qui est généralement considérée dans l'art antérieur comme un défaut et que l'in- vention exploite de manière avantageuse. Un troisième moyen de relâchement peut enfin être constitué par une portion longitudinale du noyau, non recou- verte 'par la vessie, susceptible d'être écartée ou rapprochée de l'autre portion du noyau le long de guides perpendiculai- res à son axe longitudinal. Cette disposition autorise le relâchement pour, par exemple,un bobinage à trajectoire géodé- sique, c'est-à-dire un bobinage dont la loi est telle que le dispositif d'amenée du fil, de la nappe ou de la mèche de fibres délivre la longueur de fil strictement égale à la plus courte distance séparant deux points donnés de cette trajec- toire sur le mandrin, ou pour des fibres ne possédant pas les propriétés d'allongement susdites. Bien entendu, ces moyens peuvent être combinés entre eux pour obtenir le meilleur résultat, c'est-à-dire les meil- leures possibilités de transfert de l'enveloppe bobinée sur le mandrin contre les parois intérieures du moule compte tenu de la nature des fibres employées,du type d'enroulement réa- lisé et des caractéristiques géométriques et dimensionnelles du dispositif employé. Les meilleures possibilités de trans- fert doivent s'entendre comme celles permettant de conserver au mieux les caractéristiques de l'enveloppe telles qu'elles résultent du bobinage mis en oeuvre dont on a déterminé la loi en fonction desdites caractéristiques à obtenir. L'invention a également pour objet une enveloppe obte- nue à l'aide du dispositif susdit qui constitue la paroi pro- filée d'une aile d'aéronef dont les extrémités sont tronçon- nées et qui est pourvue à l'intérieur d'une armature de rai- dissage solidarisée notamment par collage à la face interne de ladite enveloppe. Il sera avantageux de tronçonner le bord de fuite de l'aile de manière à permettre l'écartement des deux bords ainsi définis de l'enveloppe pour rendre plus aisé la mise en place de l'armature susdite. Le bord de fuite peut ensuite être refermé au moyen d'un longeronnet rapporté qui peut être réalisé en matériau composite par drapage ou enroulement fila- mentaire. L'armature susdite sera avantageusement réalisée également en matériau composite. L'invention sera mieux comprise au cours de la des- - cription donnée ci-après à titre d'exemple purement indicatif et non limitatif qui permettra d'en dégager les avantages et les caractéristiques secondaires. Il sera fait référence aux dessins annexés dans lesquels: La figure 1 estun schéma d'un mandrin appartenant au dispositif de l'invention; La figure 2 illustre schématiquement un enroulement filamentaire réalisé sur un mandrin du type de celui de la figure 1; La figure 2A est un schéma d'un mandrin présentant une surface concave sur lequel on a réalisé un enroulement filamentaire; La figure 3 est une vue schématique du moule coopé- rant, dans le dispositif de l'invention avec le mandrin susdit; Les figures 4 et 5 montrent la mise en place du man- drin dans le moule (figure 4) et le transfert de l'enveloppe du mandrin au moule; Les figures 6 et 7 illustrent une variante de réali- sation du mandrin; Les figures 8 et 9 illustrent la fonction de la variante de réalisation des figures 6 et 7; La figure 10 est le schéma d'une variante des figures 6 et 7; La figure 11 montre une enveloppe obtenue par le dis- positif de l'invention; La figure 12 illustre la constitution de la paroi d'une voilure à partir de l'enveloppe de la figure 11 La figure 13 est un schéma de l'armature de renforce- ment de la paroi de la figure 12; La figure 14 illustre la voilure complète pourvue de son armature. En se reportant tout d'abord à la figure 1 on voit un mandrin conforme à l'invention constitué par un noyau rigide 1 en toute matière appropriée (métallique ou en matériau syn- thétique) dont la surface extérieure la est d'un profil sem- blable mais inférieur en dimensions au profil de l'enveloppe à constituer. Cette surface extérieure la est recouverte d'une paroi 2 mobile par rapport au noyau 1 entre une première posi- tion dans laquelle elle est plaquée sur la surface la et une seconde position dans laquelle elle est éloignée de cette surface. Cette paroi est en fait constituée par une vessie souple, enveloppant totalement la surface la et fixée de manière étanche au noyau 1 par ses extrémités. On a représenté en 3 un embout de raccordement pneumatique du mandrin à une source de fluide sous pression ou une source de vide non représentées. Des canaux internes au noyau 1, non représentés, relient l'embout 3 à l'espace séparant la vessie 2 de la paroi extérieure la. Ainsi, lorsque l'embout 3 est relié à la source de vide, la vessie est plaquée intimement contre la surface la du noyau, tandis que lorsque l'embout 3 est relié à la source de fluide sous pression, la vessie décolle de la surface la et est maintenue éloignée de cette dernière, pour assurer la fonc- tion qui sera décrite en regard des figures 3, 4 et 5. Sur la figure 2 on voit que le mandrin 1, 2 est monté sur un dispositif de bobinage de fibres de manière connue. Ce dispositif est représenté sous forme schématique et comprend un organe 4 d'entraînement en rotation du mandrin autour de son axe longitudinal sur le bâti 5 duquel un dispositif 6 d'amenée du fil, de la mèche ou de la nappe 7 imprégnée de résine est animé d'un mouvement de translation alternative qui, conjugué avec la rotation du mandrin constitue la loi de bobinage telle qu'elle a été déterminée en fonction des caractéristiques mécaniques à obtenir. Le revêtement 8 du mandrin ainsi réalisé constitue une peau qui dans sa confor- mation finale et après polymérisation de la résine formera l'enveloppe désirée. On notera que le bobinage est réalisé sur le mandrin avec son embout 3 relié à la source de vide, la vessie 2 étant alors plaquée sur la surface la du noyau rigide. On indiquera également que le bobinage réalisé sur le mandrin peut être du type dit à glissement contrôlé ou du type géodé- sique. Comme indiqué plus haut, le glissement contrôlé per- met le bobinage d'un fil relativement lâche autorisant ainsi un certain gonflement du mandrin se traduisant par une mise en tension des fibres. Le bobinage à trajectoire géodésique implique la mise en place des fibres sous une certaine tension qui ne permet plus de gonflement du mandrin, sauf si les fi- bres elles-mêmes ont une capacité d'allongement se traduisant par un relâchement de la tension après bobinage due notamment à l'action de la résine avant polymérisation. La figure 2A illustre un mandrin qui comporte en 9 une zone concave. On remarque à cet endroit que la peau 8 est située le long de la corde de cette zone concave, la vessie 2 étant plaquée contre le noyau 1. La concavité de la peau sera obtenue au moment de la coopération du mandrin avec le moule comme expliqué ci-après. La figure 3 montre schématiquement un moule 10 en deux parties 11 et 12 qui détermine une empreinte dont la paroi 13 a un profil identique à celui de la surface extérieure de l'enveloppe à obtenir. Sur la figure 4 on a représenté le man- drin bobiné dans le moule 10 au moment de sa mise en place. On voit-que la peau 8 qu'il porte sur la vessie 2 encore pla- quée contre le noyau 1 est légèrement éloignée de la paroi 13 susdite. L'épaisseur de l'espace les séparant sera la plus faible possible. En d'autres termes, et c'est là une caracté- ristique importante de l'invention, on aura pris soin de déterminer le profil du noyau 1 et celui de la surface 13 de l'empreinte du moule 10 de manière que la surface extérieure de la vessie 2, Iorsqu'elle est plaquée sur le noyau 1, soit éloignée de la surface 13, le mandrin étant logé dans le moule, d'une distance légèrement supérieure à l'épaisseur de la peau et ce, en tous leurs points. La valeur de l'excédent de cette distance Dar rapport à ladite épaisseur dépend de - plusieurs facteurs tenant à la nature des fibres, et à la nature du bobinage qui conditionnent la limite dans laquelle la vessie 2 peut être gonflée pour porter la Peau 8 au con- tact de la paroi 13 comme illustré par la figure 5 tout en conservant, ou redonnant aux fibres une tension sensiblement uniforme dans cette configuration. Plaquée contre la paroi 13 par gonflage de la vessie 2, comme le montre la figure 5, la peau 8 est polymérisée. L'opération de transfert de la peau du mandrin au moule a permi de conférer aux fibres les caractéristiques de tension qu'elles doivent avoir au moment de la polymérisation ans avoir provoqué de déplacements entre elles, leur orientation de bobinage étant alors bien conservée. En outre elle permet d'obtenir un état de surface extérieur très lisse, proche du glacé qui supprime toute opération de retouche et de polis- sage. Pour l'obtention d'une enveloppe ayant une portion à surface concave, le moule 13 possédera une partie convexe en regard de la zone concave du mandrin. A la mise en place du mandrin dans le moule, ladite partie convexe vient au contact de la zone de la peau située le long de la corde de la partie concave (voir figure 2A) et la contraint à se rapprocher de la surface concave du mandrin. Le gonflage de la vessie effec- tuera le transfert du reste de la peau du mandrin vers le moule. La description donnée ci-dessus en regard des figures 1 à 5 est schématique et part de l'hypothèse que les capacités d'allongement des fibres sont suffisantes pour que le trans- fert puisse s'opérer. Il se peut cependant que celles-ci ne le permettent pas totalement et les figures 6 à 10 illustrent une disposition du mandrin permettant d'effectuer un transfert avec des fibres qui ne s'allongent pas ou pas suffisamment du fait de leur nature ou de la nature du bobinage. Aussi a-t-on représenté sur les figures 6 et 7 le noyau 1 du mandrin, équipé d'une partie longitudinale 20 susceptible d'être écartée ou rapprochée de la partie principale 21 qui est creuse. Un système d'excentrique 22 est attelé à un élément 20a de com- mande de la position de la partie 20 et dont la rotation est commandée au moyen d'un carré de manoeuvre 23. Cet élément de commande 20a constitue également un guide perpendiculaire à la direction longitudinale du mandrin Dour le déplacement de ladite partie mobile 20. Un frein 24 bloque la commande de l'excentrique pour fixer la partie 20 susdite dans une posi- tion déterminée. On notera que la vessie 2 ne recouvre pas la partie mobile mais est attelée de manière étanche à l'ex- trémité longitudinale de la partie 21 située en regard de la partie 20a. Sur les figures 8 et 9 on voit le mandrin des figures 6 et 7 portant un enroulement filamentaire logé dans un moule 10. La figure 8 correspond à la représentation schématique de la figure 4 c'est-à-dire avant gonflage de la vessie 2. On remarque que la peau 8 a été bobinée sur le mandrin 20, 21 alors que la partie 20 est maintenue dans une position éloi- gnée de la partie 21. La figure 9 correspond à la disposition de la figure 5 dans laquelle la vessie 2 a été gonflée. Dans le même temps, au moyen de l'excentrique 22, on a commandé le rapprochement des parties 20 et 21, la partie 21 étant supposée fixe par rapport au moule 10. On a ainsi compensé l'augmenta- tion de longueur périphérique de la peau par la retraction de la partie 20. Cette disposition, combinée avec la valeur de la pression de gonflage de la vessie permet d'ajuster la ten- sion des fibres dans la peau au moment de la polymérisation. En ce qui concerne la figure 10, on voit qu'il s'agit de la représentation d'une variante de réalisation du mandrin selon les figures 6 et 7 dans laquelle la partie 20 peut être rétractée automatiquement lors du gonflage de la vessie à l'encontre de l'effet d'organes élastiques (ici des ressorts placés dans des soufflets de protection 26) tendant à rap- peler la pièce 20 dans sa position d'extension maximale. Le mouvement de cette pièce est guidé par les parties 20a qui comportent une lumière oblongue 27 coopérant par ses extré- mités avec une butée 28 fixe. La figure 11 montre l'enveloppe selon l'invention obtenue après démoulage, c'est-à-dire après ouverture du moule. Cette enveloppe 30 est encore sur le mandrin. Pour extraire le mandrin, on procède au tronçonnage des deux extré- mités 30a et 30b de l'enveloppele long de lignes de coupe 31 et 32 après avoir dégonflé la vessie 2. Dans le cas notamment d'une enveloppe obtenue sur un mandrin conforme à celui représenté aux figures 6 et 7, il peut être avantageux de tronçonner la partie de l'enve- loppe qui se situait au delà du bord longitudinal de la partie de mandrin 21 sur lequel est fixée la vessie. La figure 12 montre que l'on obtient ainsi une enveloppe 33 ouverte longitudinalement en 34 par découpage de la partie 35. Cette enveloppe de même que celle obtenue par simple tronçonnage transversal trouvent une application intéressante en tant que paroi externe d'une aile d'aéronef (planeur). En effet, leurs qualités de résistance et d'état de surface sont tout à fait compatibles avec les exigences requises pour une voilure. Elles peuvent alors facilement recevoir une struc- ture de renforcement telle que celle 40 représentée à la fi- gure 13. Cette structure comporte un longeron 41 qui peut être avantageusement constitué par deux semelles 41a, 41b en matériau composite unidirectionnel liées par un bobinage 41c l'ensemble constituant une poutre creuse à flancs droits, de section évolutive. Elle comporte également des nervures 42 qui peuvent être en composite drapé par exemple et un longe- ronnet 43 issu,soit d'un matériau composite du genre de celui du longeron 41,soit d'une technique de fabrication en drape. La structure de renforcement comporte également des tringle- ries de commande 44 des volets et aérofreins de la voilure. La structure de renforcement préfabriquée est enduite d'un film de colle sur les faces des nervures, longeron et longeronnet qui se trouvent en regard de la surface concave de l'enveloppe, puis introduite dans l'enveloppe par l'une de ses extrémités. On pourra se servir du moule 10, pourvu sur sa face 13 de coussinets souples, comme organe de pressage au moment du collage. Il faut noter que l'enveloppe 33 de la figure 12 permet d'écarter élastiquement les deux bords de son ouverture arrière et ainsi de favoriser l'intro- duction de la structure de renforcement en préservant le film de colle qu'elle possède. La chute 35 pourra alors servir de longeronnet 45 (figure 14) de fermeture du bord de fuite. La finition de l'aile comportera la mise en place d'éléments préfabriqués tels que les volets, les aérofreins,.. L'invention trouve une application intéres- sante dans le domaine de l'aéronautique et plus générale- ment dans toute industrie (automobile, plaisance, fabrica- tion de pales telles que des pales d'éolienne), de fabrica- tion d'enveloppes creuses qui ne sont pas de révolution autour d'un axe. REVENDICATIONS 1. Dispositif de fabrication par bobinaQe filamentaire d'une enveloppe creuse de forme allongée dont le profil est évolutif le long de sa direction longitudinale et qui comporte une surface extérieure glacée, constitué par un mandrin (1,2) déformable sur lequel on réalise ledit bobinage (8) au moyen d'un dispositif d'amenée (5,6) d'au moins un fil et par un moule (10) dans lequel on enferme ledit mandrin (1,2) pourvu du bobinage (8) et par des moyens (3) pour plaquer l'enveloppe (8) ainsi réalisée contre les parois (13) intérieures de la cavité du moule (10), caractérisé en ce que le mandrin (1,2) déformable susdit est constitué par un noyau (1) rigide dont la surface extérieure (la) est, lorsqu'elle est disposée dans le moule (10), éloignée de la surface intérieure (13) du moule d'une valeur sensiblement constante légèrement supé- rieure à l'épaisseur de l'enveloppe à-obtenir, tandis que les moyens pour plaquer ladite enveloppe sont constitués par une paroi souple (2) d'une épaisseur au plus égale à la différence entre l'épaisseur de l'enveloppe (8) et la valeur susdite, et mobile par rapport audit noyau (1) entre une première position dans laquelle elle est plaquée sur la surface extérieure (la) du noyau et une seconde position dans laquelle elle est éloi- gnée de ladite surface extérieure, et par des moyens (20) de relâchement de la tension des fils du bobinage (8) réalisé sur ladite paroi (2) dans sa première position. 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la paroi mobile susdite est constituée par une vessie souple (2) enveloppant de manière étanche au moins la majeure partie dudit noyau (1), l'espace délimité ainsi entre la sur- face extérieure (la) du noyau et la vessie (2) étant sélecti- vement connecté (3) à une source de vide et une source d'amenée d'un fluide sous pression. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendi- cation 2 caractérisé en ce que les moyens susdits de relâche- ment de la tension du bobinage sont constitués par la dispo- sition du fil sur le mandrin le long d'une trajectoire à glissement contrôlé au moyen du dispositif (5,6) susdit d'amenée du fil. 4. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendi- cation 2 caractérisé en ce que lesdits moyens de relâchement de la tension du bobinage sont constitués par les fils eux- mêmes possédant la propriété de s'allonger après bobinage et avant polymérisation. 5. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendi- cation 2 caractérisé en ce que lesdits moyens de relâchement de la tension du bobinage sont constitués par une portion longitudinale (20) du noyau (20,21) non recouverte par ladite vessie (2), susceptible d'être écartée ou rapprochée de l'au- tre portion (21) du noyau le long de guides perpendiculaires (20a) à son axe longitudinal. 6. Enveloppe (30) obtenue à l'aide du dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, carac- térisée en ce qu'elle est tronçonnée (31,32) à chacune de ses extrémités pour constituer la paroi profilée d'une aile d'aé- ronef pourvue à l'intérieur d'une armature de raidissage (40) solidarisée à ladite enveloppe (30) par sa face concave. 7. Enveloppe selon la revendication 6 caractérisée en ce que son bord de fuite (34) est tronçonné pour permettre l'écartement élastique de ses deux extrémités favorisant la mise en place de l'armature (40) et est refermé par un longe- ronnet rapporté (45). 8. Enveloppe selon la revendication 6 ou la revendica- tion 7 caractérisée en ce que ladite armature (40) est consti- tuée par un assemblage d'éléments (41,42,43) en matériau com- posite.