Brevet FR2584057A1 — publié le 19870102

Cette invention concerne la fabrication d'objets avec un matériau composite, et en particulier la fabrication d'objets avec un matériau composite comprenant des filaments de renforcement pris dans un matériau matrice de résine. Il est bien connu de fabriquer des objets avec un matériau composite par enroulement d'un câble fait de filaments imprégnés de résine sur un mandrin rotatif de configuration appropriée. Le câble de filaments peut être Imprégné de résine par Immersion juste avant l'opération d'enroulement ou peut être pré-Imprégné de résine quelque temps avant l'opération o d'enroulement. L'enroulement précédé d'imprégnation par immersion, appelé quelquefois enroulement humide, est lent, et la quantité de résine contenue dans le matériau composite résultant est difficile à contrôler. En outre, la rotation du matériau obtenu par enroulement doit se poursuivre après l'achèvement dudit enroulement, de façon qu'il ne se produise pas de formation de poches de résine avant le durcissement de ladite résine. L'enroulement, précédé d'une pré-lmprégnation du câble, appelé quelquefois enroulement sec, est plus rapide que l'enroulement humide. Cependant, la quantité de résine contenue dans le câble peut être réduite de façon que le câble ne soit pas visqueux et qu'il puisse être stocké sur une bobine. Cela signifie que le câble n'a absolument aucune flexibilité, qu'il doit être enroulé à tension constante, et que de la résine, en quantité additionnelle, doit être appliquée sur les câbles enroulés. Que ce soit avec la technique de l'enroulement sec ou avec celle de l'enroulement humide, on se heurte au problème que pose la création de lacunes ou de chevauchements entre les couches enroulées successives lorsqu'on procède à leur application sur des mandrins tronconiques, ce qui, par suite, provoque la distorsion ou le tortillement des filaments dans le câble. Une telle distorsion ou un tel tortillement est totalement indésirable dans la mesure o elle (Il) a un effet préjudiciable sur la solidité de l'objet fait de matériau composite résultant. Un objet de la présente invention est de proposer un procédé d'enroulement d'un matériau à base de filaments pré-imprégnés de résine sur un mandrin tronconique dans lequel une telle distorsion ou un tel tortillement des filaments serait sensiblement éliminé. Selon la présente invention, un procédé de fabrication d'un objet de forme généralement tronconique avec un matériau composite comporte l'étape d'enrouler un ruban comportant des filaments de renforcement imprégnés du matériau matrice dudit matériau composite sur un corps ayant une surface de forme généralement tronconique de façon que chaque circonférence successive de ruban enroulé chevauche au moins partiellement la précédente circonférence de ruban enroulé, la largeur dudit ruban étant définie par l'expression W = nt/tgo o W est la largeur du ruban, t est l'épaisseur du ruban enroulé, ruban qui est enroulé en une passe d'enroulement. On va maintenant décrire l'invention au moyen d'exemples avec référence aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une vue de côté schématique d'un dispositif approprié à la mise en oeuvre du procédé de fabrication selon la présente invention; la figure 2 est une vue en coupe selon la ligne A-A de la figure 1 la figure 3 est une vue agrandie d'une partie de la figure 2; et, la figure 4 est une vue d'un objet fabriqué selon le procédé de la présente invention. La figure 1 représente une bobine 10 supportant un ruban 1 1 formé de filaments continus de carbone, lesquels ont été pré-imprégnés de résine époxyde non cuite. Un film d'isolation 12 est assujetti au ruban I 1 de façon que les couches de ruban 11 supportées par la bobine 10 ne collent pas les unes aux autres. Le ruban 1 i1 est tiré de la bobine 10 par un mandrin 13 tronconique, lequel est entraîné en rotation autour d'un axe 14 dans la direction indiquée par la flèche 15. Un guide de ruban 16 positionne le ruban 11 par rapport au mandrin. De la sorte, la bobine est entraînée en rotation dans la direction Indiquée par la flèche et le ruban 1 1 s'enroule autour du mandrin rotatif 13. Un embrayage à glissement (non représenté), associé à la bobine de ruban , garantit que le ruban 1 1 est maintenu sous tension. La bobine 10 est reliée par une courroie d'entraînement 17 à une autre bobine 18 qui recueille le film d'isolation provenant du ruban 11. Ainsi, alors que le ruban 11 et son film d'isolation 12 sont tirés de la bobine 10, ils passent sur un rouleau 19 o ils sont séparés. Le ruban 11 est alors enroulé autour du mandrin 13 et le film d'isolation 12 est enroulé sur l'autre bobine 18. Les bobines 10 et 18, ainsi que ledit ruban 16, se déplacent dans une direction généralement parallèle à l'axe de rotation 14du mandrin 13 à une vitesse telle que le ruban 11 est enroulé sur le mandrin 14 de la manière qui est représentée sur la figure 2, c'est-à-dire de façon qu'il se produise un chevauchement des circonférences successives de ruban 11 enroulé. Plus précisément, le ruban 1 1 est enroulé sur le mandrin 13, de façon que chaque circonférence successive chevauche la précédente d'approximativement 50 % de la largeur du ruban et qu'une double couche de ruban soit enroulée sur le mandrin 13 en une passe. Cela est plus aisément visible sur la figure 3. La figure 3 représente aussi l'autre caractéristique de la présente Invention, savoir la relation existant entre la largeur du ruban W, l'épaisseur du ruban t et l'angles| du cône en degré du mandrin tronconique 14. Ainsi, la largeur W du ruban doit être égale à 2t/tgo. Cette relation garantit que la lacune 20 existant sous chaque circonférence enroulée du ruban 11 est suffisamment petite. En pratique, chaque portion de ruban qui enjambe une lacune 20 s'y affaisse partiellement de sorte que le nombre de fibres 11 enroulées qui restent sans support est minimal. Le chevauchement du ruban 1 i1 garantit que, sur une surface tronconique telle que celle du mandrin 14, il ne se produit sensiblement pas de distorsion du ruban, de sorte que les filaments qui composent le ruban 1 I ne sont ni déformés ni tortillés. Ceci garantit également que l'objet fait de matériau composite fabriqué selon le procédé de la présente invention possède la résistance totale des filaments. Sur le mode de réalisation représenté sur les figures 2 et 3, deux couches de ruban 11 sont entourées sur le mandrin 14 en une passe. Cependant, il est possible d'entourer plus de deux couches en une passe, comme on peut le voir sur la figure 5, o trois couches de ruban 1 ont été entourées en une passe. Avec un arrangement constitué de trois couches, tgo= a/t o,et t représentent les grandeurs définies précédemment, et o a représente la portion de largeur du ruban.11 qui est sans support. Ainsi, a = t/tgW et la largeur du ruban, W = 3a, de sorte que W = 3t/tgo. Le chevauchement du ruban ainsi égal à un tiers de la largeur du ruban. C'est ainsi que, de façon générale, pour n couches de ruban 1 i entourées en une passe, W = nt/tga, de sorte que le chevauchement du ruban 11 est égal à un énième de la largeur du ruban. Ainsi, lorsque n augmente, la largeur du ruban W doit augmenter proportionnellement. On voit donc que le procédé selon la présente invention a pour objet l'enroulement de filaments sur une surface tronconique, qui élimine les distorsions qui se produiraient si le ruban était enroulé sans chevauchement, c'est-à-dire avec un contact bord à bord. Ce procédé résoud également le problème de la création de lacunes Importantes à l'Intérieur du matériau enroulé, lequel se produirait si l'on n'exerçait pas de contrôle sur le chevauchement du ruban ainsi que sur ses dimensions. Lorsque l'enroulement est achevé, le mandrin 13 dans son ensemble, lequel supporte le ruban enroulé 11, est exposé à la chaleur d'une façon conventionnelle, de façon que la résine époxyde dont le ruban est imprégné cuise. Cela provoque la dilatation du mandrin 13, laquelle à son tour provoque une réduction supplémentaire de la taille des lacunes qui peuvent être présentes dans le ruban enroulé 11. L'objet achevé 21 fait de matériau composite que l'on peut voir sur la figure 4 est alors enlevé du mandrin 13. Bien que la présente invention ait été décrite à propos de la fabrication d'un objet avec un matériau composite comportant des filaments de renforcement de carbone pris dans une matrice de résine époxyde, d'autres matériaux peuvent être utilisés si on le désire. Ainsl, les filaments peuvent être de verre ou d'un autre matériau adéquat et l'on peut utiliser d'autres polymères thermodurcissables, tel que des polylmides, si on le désire. En effet, avec le procédé selon la présente invention on peut utiliser des filaments imprégnés d'un polymère thermoplastique tel qu'un polysulphone. Dans ces conditions, naturellement, il ne serait pas indispensable de cuire le polymère. Cependant, une étape de chauffage pourrait être souhaitable pour enlever le solvant qui aurait pu être utilisé lors de l'application du polymère sur les filaments, ainsi que, bien entendu, pour consolider les filaments enroulés grâce à la dilatation du mandrin 13. La méthode selon la présente Invention a été décrite à propos de la fabrication d'un objet avec un matériau composite qui a une épaisseur généralement constante. Cependant, il peut être souhaitable, dans certaines conditions, de prévoir une épaisseur variable. Cela peut être réalisé facilement grâce à un contrôle adéquat de la translation de l'assemblage translatable comprenant les bobines 10 et 18 et le guide de ruban 16. Dans le dispositif de mise en oeuvre du procédé selon la présente Invention décrit cl-dessus, le mandrin 13 est entraîné en rotation et l'assemblage comprenant les bobines 10 et 18 ainsi que le guide de ruban 1 o 16 est entraîné en translation selon une direction généralement parallèle à l'axe de rotation 14 du mandrin 13. Il1 va de sol cependant que d'autres types de mouvement des pièces constituant le dispositif utilisé pour la mise en oeuvre du procédé selon la présente invention pourrait être utilisés pour provoquer le même mouvement relatif entre le mandrin 13 et le ruban 11. Il va de sol également que le procédé selon la présente invention peut être mis en oeuvre avec des filaments imprégnés par Immersion, par opposition aux filaments qui sont pré-imprégnés d'un matériau matrice de résine. Dans ces conditions, il serait bien évidemment superflu d'utiliser le film d'isolation 12. Blen que la présente invention ait été décrite à propos d'un ruban constitué de filaments unidirectionnels, Il va de soi que d'autres configurations de ruban auraient pu être utilisées, telles que des configuration obtenues par tissage ou par tricotage. REVENDICATIONS 1. procédé de fabrication d'un objet de forme généralement tronconique avec un matériau composite comportant l'étape d'enrouler un ruban (1 1) comprenant des filaments de renforcement imprégnés du matériau matrice dudit matériau composite sur un corps (13) ayant une surface de forme généralement tronconique de façon que chaque circonférence successive de ruban enroulé chevauche au moins partiellement la précédente circonférence de ruban enroulé, caractérisé en ce que la largeur dudit ruban (1 1) est définie par l'expression W = nt/tg, o W est la largeur du ruban o ( 1 1), t est l'épaisseur du ruban ( 11) enroulé,o( est l'angle en degré du cône de la surface sur laquelle le ruban (I 1) est enroulé, et n est le nombre de couches de ruban (1 1) qui est enroulé en une passe d'enroulement. 2. Procédé de fabrication d'un objet de forme généralement tronconique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit matériau matrice est un polymère. 3. Procédé de fabrication d'un objet de forme généralement tronconique selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit polymère est une résine thermodurcissable. 4. Procédé de fabrication d'un objet de forme généralement tronconique selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite résine thermodurcissable est une résine époxyde. 5. Procédé de fabrication d'un objet de forme généralement tronconique selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit ruban (11) est enroulé autour dudit corps (13) par rotation dudit corps (13). 6. Procédé de fabrication d'un objet de forme généralement tronconique selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit corps est un mandrin (13). 7. Procédé de fabrication d'un objet de forme généralement tronconique selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits filaments sont des filaments de carbone. 8. Procédé de fabrication d'un objet de forme généralement tronconique selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits filaments sont continus. 9. Procédé de fabrication d'un objet de forme généralement tronconique selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque circonférence successive de ruban (11) enroulé chevauche la précédente circonférence de ruban (i 1) enroulé d'environ 50 % de la largeur du ruban (i 1).