Brevet FR2584341A1 — publié le 19870109

PROCEDE DE FABRICATION D'UNE PEAU BOBINEE EN MATERIAU COMPOSITE RENFORCE DE FIBRES, EN PARTICULIER POUR STRUCTURES SANDWICHES. SANDWICHES. L'invention se rapporte à un procédé de fabrication d'une peau bobinée en matériau composite renforcé de fibres comprenant au moins une couche de fibres qui est constituée par un premier système de fils composé de fils de renforcement unidirectionnels disposés dans un sens et par au moins un second système de fils entrelacé avec le premier système en un agencement croisé et composé de fils de renforcement unidirectionnels disposés dans un second sens, dans lequel on enroule au moins un fil sans fin continuellement en plusieurs allers et retours successifs d'un oeillet sur un mandrin de bobinage tournant par rapport à l'oeillet avec un angle d'hélice déterminé par le rapport existant entre la vitesse périphérique du mandrin et la vitesse d'avance de l'oeillet, puis on enlève du mandrin le stratifié bobiné ainsi formé à l'état non durci. Il est connu de fabriquer des peaux composites renforcées de fibres, par exemple des peaux de recouvrement pour structures sandwiches composites renforcées de fibres, au moyen d'un procédé d'enroulement continu à l'aide d'un oeillet qui est animé d'un mouvement de va-et-vient par rapport à un mandrin de bobinage tournant et qui dépose le fil de renforcement sur le mandrin au cours d'un nombre également grand, ou tout au plus différent de un, d'allers et retours. La peau composite renforcée de fibres ainsi formée est constituée de deux systèmes de fils entrelacés se croisant dont l'angle de croisement est deux fois plus grand que l'angle d'hélice, choisi pour l'enroulement, du fil de renforcement, et présente, dans le sens des deux systèmes de fils, des coefficients de renforcement de fibres également élevés, c'est-à-dire à même résistance et même stabilité. Les peaux composites renforcées de fibres qui sont constituées de plusieurs systèmes de fils ayant respectivement différentes densités de fils et croisés par des points de liage des fils, et qui sont utilisées pour obtenir une répartition optimale des fibres relativement au poids et à la charge dans des éléments de construction composites renforcés de fibres à sens défini des tensions principales et des déformations, doivent, par contre, être fabriquées avec mise en oeuvre de moyens beaucoup plus importants et à un coût plus élevé, par exemple par un procédé de tissage sous forme de tissus composites renforcés de fibres et à renforcement de chaîne, et à cela s'ajoute le fait que ces tissus ne sont disponibles que dans quelques échantillons de poids au mètre carré et seulement dans quelques rapports chaîne-trame, et, chose plus gênante encore, certaines sortes de fibres, précisément nécessaires à une construction ultra-légère, mais sujettes à la rupture à l'état non réti culé, dont en particulier les fibres de carbone à ultra-haut module, ne peuvent pas être transformées en de tels tissus. L'invention a en revanche pour objet de mettre au point un procédé de fabrication d'un stratifié composite renforcé de fibres avec lequel on puisse obtenir de façon simple et peu coûteuse, sur chacun des systèmes de fils, mutuellement entrelacés avec un angle de croisement déterminé, du stratifié, une densité de fils pouvant être choisie individuellement et sans graduation, et façonner pratiquement n'importe quelle sorte de fibres, notamment aussi les fibres de carbone précitées. Ce résultat est atteint selon l'invention par le fait que l'on enroule les deux systèmes de fils avec une densité de fils différente en modifiant l'angle d'hélice du ou des fils sans fin à chaque changement de sens de l'oeillet, que pour l'aller on le détermine en fonction de l'angle de croisement et du rapport de densité de fils désiré des deux systèmes et que pour le retour on le règle à une valeur différente selon l'angle de croisement. Selon l'invention, par un réglage préalable de l'angle d'hélice, tenant compte de l'angle de croisement et du rapport des densités de fil et différent pour l'aller et le retour, on obtient avec un procédé d'enroulement continu simple et peu coûteux ménageant les fils, une peau bobinée composite renforcée de fibres qui, de façon optimale quant au poids, répond à l'exigence d'un coefficient de renforcement de fibres supérieur d'un côté dans l'un des systèmes de fils mutuellement entrelacés avec un angle de croisement prédéterminé. Comme l'oeillet exécute généralement un grand nombre d'allers et retours jusqu'à l'obtention des densités désirées de fils, leur rapport tend vers un, même si l'oeillet parcourt au total l'aller une fois de plus ou de moins que le retour.Dans un mode de réalisation particulièrement préféré de l'invention, les angles d'hélice pour l'aller et le retour sont choisis de façon très simple dans ce cas de façon que formules dans lesquelles 4V =angle d'hélice pour le système.de fils enroulé à l'aller c retour ss =angle de croisement des deux systèmes de fils x = rapport des densités de fils entre le système de fils enroulé à l'aller et le système de fils enroulé au retour, tandis que les rapports entre la vitesse d'avance et la vitesse périphérique ou vitesse de rotation du mandrin de bobinage est déterminé de façon que formule dans laquelle VV R = vitesse d'avance de l'oeillet à l'aller et au retour Uv,R = vitesse périphérique du mandrin de bobinage à l'aller et au retour ss = angle de croisement des deux systèmes de fils et x = rapport des densités de fils du système de fils enroulé à l'aller et du système de fils enroulé au retour. On coupe le stratifié enroulé de préférence en dirigeant la coupe conformément à l'orientation du fil dans la peau bobinée, de sorte que l'on obtient une déviation azimutale des systèmes de fils à la manière d'une rotation commune, c'est-à-dire par exemple pour que le système de fils ayant le plus fort coefficient de renforcement de fibres soit orienté dans le sens de la tension principale de la peau bobinée. Il est, certes, très possible de n'imprégner les systèmes de fils du stratifié enroulé ou de la peau bobinée avec la matrice de résine du matériau composite renforcé de fibres qu'après l'achèvement du processus d'enroulement, mais pour simplifier encore davantage la technique du procédé, il est cependant préférable d'imprégner de résine le fil de renforcement avant son passage à travers l'oeillet.Un avantage particulier du procédé peut être obtenu eu égard à une construction extrêmement légère, en réalisant la peau bobinée en un fil de carbone à ultra-haut module. Si l'on veut que la peau bobinée soit établie pour de très fortes charges et soit par conséquent fabriquée avec un grand poids par unité de surface, on enroule de préférence la peau bobinée suivant un modèle se répétant sur plusieurs couches de manière que les fils de renforcement dans le stratifié ne soient pas seulement disposés étroitement serrés les uns à côté des autres, mais aussi les uns au-dessus des autres. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description d'un mode de réalisation pris comme exemple, mais non limitatif, et illustré par le dessin annexé, sur lequel les figures la, b représentent un stratifié composite renforcé de fibres enroulé selon l'état de la technique et la peau bobinée coupée dans celui-ci la figure 2 représente de façon fortement schématisée un dispositif d'enroulement expliquant le procédé de bobinage selon l'invention ; la figure 3a représente un stratifié enroulé fabriqué avec le procédé selon l'invention ; et les figures 3b, c, représentent deux peaux bobinées en matériau composite renforcé de fibres coupées différemment dans le stratifié enroulé selon la figure 3a et avec orientation différente des fibres. Conformément à la figure la, pour la fabrication d'un stratifié bobiné en matériau composite renforcé de fibres et constitué par deux systèmes de fils 2,4 mutuellement entrelacés avec un angle d croisement 6, on enroule un fil de renforcement sans fin continuellement en plusieurs allers et retours successifs et avec un angle d'hélice correspondant au demi-angle de croisement ss sur un mandrin de bobinage cylindrique 6 tournant et muni à ses extrémités de coiffes polaires 8, 10 pour le changement du sens du pas du fil de renforcement, et ce jusqu'à ce que l'on obtienne le poids désiré par unité de surface, après quoi on découpe le stratifié bobiné suivant une direction prédéterminée par l'orientation de la fibre dans la peau bobinée 12 (figure lb) et on l'enlève du mandrin.Dans la peau bobinée 12 ainsi formée, le poids par unité de surface du renforcement de fibres est réparti en proportions égales sur les deux systèmes de fils 2 et 4, ctest-à-dire que les deux systèmes 2,4 ont la même densité de fibres. Dans l'exemple représenté, l'angle de croisement ss = 90 , l'angle d'hélice à l'aller et au retour est donc de 45 , et les directions A-A, B-B de la coupe sont choisies de manière que les systèmes de fils 2,4 dans la peau bobinée 12 aient une orientation de 90"/0". Le procédé d'enroulement selon l'invention est expliqué à l'aide du dispositif d'enroulement qui est illustré à la figure 2 et qui comprend de façon usuelle un mandrin de bobinage cylindrique 6 tournant continuellement à une vitesse de rotation n et muni des coiffes polaires 8,10, un oeillet 14 se déplaçant en un mouvement de va-etvient parallèlement à l'axe du mandrin 6 et une cuve d'imprégnation montée devant l'oeillet et pourvue d'un rouleau 18 sur lequel le fil de renforcement 22 tiré d'une bobine de fil 20 et par exemple constitué par un fil de carbone à ultra-haut module est imprégné de la matrice de résine du matériau composite renforcé de fibres avant d'être déposé avec tension de traction uniforme sur le mandrin 6. Le fil de renforcement est ici aussi enroulé sur le mandrin de bobinage 6 en plusieurs allers et retours successifs de l'oeillet 14 jusqu'à ce que le stratifié bobiné constitué par les deux systèmes de fils 2,4 mutuellement entrelacés avec l'angle de croisement ss ait atteint un poids de fibres prédéterminé par unité de surface. En même temps, cependant, ce poids par unité de surface est réparti différemment sur les deux systèmes de fils 2,4 de façon prédéterminée, c'est-à-dire que chaque système de fils 2,4 reçoit une densité de fils présélectionnée individuel lement.A cet effet l'angle d'hélice &alpha; V pour le système de fils 2 enroulé à l'aller et l'angle d'hélice sv RS complétant l'angle d'hélice 4 V pour donner l'angle de croisement ss, pour le système de fils 4 enroulé au retour, sont choisis de façon que et formules dans lesquelles x = rapport des densités de fils exigé entre le système de fils 2 enroulé à l'aller et le système de fils 4 enroulé au retour, m = nombre des allers de l'oeillet 14, n = nombre des retours de l'oeillet 14. Comme m = n ou Im - n 1 = 1 et m, n#O, on a et et Comme tan d = V lr où l'on a VV,R =vitesse d'avance de l'oeillet 14 à l'aller et au retour, U et nV,R = vitesse périphérique et vitesse de rotation à l'aller et au retour du mandrin de bobinage 6. Pour l'angle de croisement ss = 90 , on peut encore simplifier comme suit tan &alpha;v 1 tanO(R = de même que Si, comme représenté, on veut que le coefficient de renforcement de fibres du système de fils 2 soit le double de celui du système de fils 4, donc que x = 2 pour ss = 90 , il faut que o(V soit réglé à 26,5650 et (= '3 9 V) à 63,4350, et en cas de vitesse de rotation constante du mandrin de bobinage cylindrique 6, que la vitesse d'avance de l'oeillet 14 au retour soit quatre fois plus grande qu'à l'aller. Le stratifié bobiné (figure 3a) enroulé de cette façon jusqu'au poids désiré de renforcement de fibres par unité de surface est alors coupé conformément à l'orientation voulue des fibres pour former la peau bobinée 12, les sens de coupe A-A et B-B selon la figure 3a donnant dans la peau 12 une orientation des fibres de + 450 pour les deux systèmes de fil 2 et 4 (figure 3b), tandis qu'un sens de coupe parallèle ou perpendiculaire à la direction du fil des systèmes 2,4 donne la peau bobinée 12 illustrée à la figure 3c dans laquelle le système de fil 4 ayant la plus faible densité de fibres a une orientation de 900 et le système de fil à coefficient de renforcement de fibres double une orientation zéro. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'une peau bobinée préimprégnée en matériau composite renforcé de fibres comprenant au moins une couche de fibres qui est constituée par un premier système de fils composé de fils de renforcement unidirectionnels disposés dans un sens et par au moins un second système de fils entrelacé avec le premier système en un agencement croisé et composé de fils de renforcement unidirectionnels disposés dans un second sens, dans lequel on enroule au moins un fil sans fin continuellement en plusieurs allers et retours successifs d'un oeillet sur un mandrin de bobinage tournant par rapport à l'oeillet avec un angle d'hélice déterminé par le rapport existant entre la vitesse périphérique du mandrin et la vitesse d'avance de l'oeillet, puis on enlève du mandrin le stratifié bobiné ainsi formé à l'état non durci, caractérisé par le fait que l'on enroule les deux systèmes de fils avec une densité de fils différente en modifiant l'angle d'hélice du ou des fils sans fin à chaque changement de sens de l'oeillet, que pour l'aller on le détermine en fonction de l'angle de croisement et du rapport de densité de fils désiré des deux systèmes et que pour le retour on le règle à une valeur différente selon l'angle de croisement. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'en cas de nombre égal d'allers et de retours et/ou supérieur d'allers ou de retours de l'oeillet, on choisit les angles d'hélice pour l'aller et le retour de façon que formules dans lesquelles V = angle d'hélice pour le système de fils enroulé à l'aller 9 R = angle d'hélice pour le système de fils enroulé au retour ss = angle de croisement des deux systèmes de fils x = rapport des densités de fils entre le système de fils enroulé à l'aller et le système de fils enroulé au retour. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'en cas de nombre égal d'allers et de retours et/ou supérieurs d'allers ou de retours de l'oeillet, on choisit le rapport entre vitesse d'avance/vitesse périphérique à l'aller et vitesse d'avance/vitesse périphérique au retour, de façon que formule dans laquelle VV,R = vitesse d'avance de l'oeillet à l'aller et au retour UV = vitesse périphérique du mandrin de bobinage à l'aller et au retour ss = angle de croisement des deux systèmes de fils et x = rapport des densités de fils du système de fils enroulé à l'aller et du système de fil enroulé au retour. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'on coupe le stratifié enroulé dans un sens correspondant à l'orientation du fil dans la peau bobinée. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'on imprègne de résine le fil de renforcement avant son passage à travers l'oeillet. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que comme fil de renforcement, on enroule un fil de carbone à ultra-haut module. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que pour de plus grands poids par unité de surface de la peau bobinée, on enroule le stratifié bobiné selon un modèle d'enroulement se répétant sur plusieurs couches.