Brevet FR2587649A1 — publié le 19870327

La présente invention se rapporte à la fabrication de produits en matériaux composites à fibres orientées, tels que des lames de ressort et plus spécialement à la conformation de leurs extrémités de fixation. On sait, en particulier du brevet français 84111 782 de la demanderesse, que les matériaux composites à fibres orientées et à matrice organique ont une grande capacité d' absorption d' énergie par déformation élastique, pouvant être appliquée aux lames de ressort. Toutefois une partie de 1' allègement et de 1' économie escomptée par I' utilisation de tels matériaux se trouve souvent neutralisée par le poids et le prix des attaches métalliques rapportées aux extrémités des lames pour leur fixation. De plus, les opérations classiques d' usinage effectuées sur celles-ci (découpe, fraisage, perçage, ...) et les opérations d' assemblage des éléments métalliques de fixation (collage, vissage, rivetage, sertissage, ...) pénalisent également lesdites lames dèkessort en composite fabriquées selon ce procédé. La présente invention est le prolongement du procédé de moulage décrit dans le brevet 84/ Il 782 dans lequel on utilise la liberté de forme qu'il autorise pour obtenir, directement de moulage, les attaches d' extrémité désirées. La présente invention sera maintenant décrite, à titre d' exemple non limitatif, au regard des figures l à 19 ci-jointes, qui se rapportent respectivement les figures 1 et 2, à une vue en élévation et en plan d'une lame de ressort en matériau composite selon l' état de la technique, les figures 3 et 4, à des vues analogues de lames de ressort selon l'invention, pourvues d'attaches d' extrémité selon des axes horizontaux, les figures 5 à 7, à des coupes d1 une extrémité grossie de la lame de ressort, montrant le détail de sa fixation, selon trois variantes de -I' invention,-- la figure 8, à une vue en perspective de la figure 7, les figures 9 et 10, à une coupe d'une partie du moule adapté au produit selon l'invention, en position ouverte et fermée, la figure 11, à une vue en perspective d'une autre variante de la fixation de la lame de ressort selon l'invention, la figure 12, à un détail de la fixation utilisable en variante, - les figures 13 et 14, à des vues en perspectives d'extrémités de lames de ressort pourvues d' attaches selon des axes verticaux, respectivement selon l' état de la technique et selon l'invention, - les figures 15 et 16, à une coupe d'une partie du moule adapté au produit selon deux variantes de l'invention, les figures 17 et 18, à une vue en perspective respectivement d'un bras de roue et de son ébauche traitée selon le procédé de l'invention, la figure 19, à une vue en perspective d'une bielle fabriquée selon l'invention. On voit aux figures l et 2 un ressort l en matériaux composite, muni de ses attaches métalliques 2 qui lui sont fixées par collage et vissage. On a vu dans le brevet français de la demanderesse 84/ Il 782 que l'on avait avantage à faire évoluer la hauteur H de la lame et sa longueur L de telle façon que le produit L X H soit constant pour toutes les sections, avec un maximum pour H au milieu de la lame 1. Dans le cas présent, on notera donc L1 X H1 = L2 X H2 = L3 X (H3 + H4), etc... les paramètres ci-dessus caractérisant respectivement le milieu de la lame, le quart et ses extrémités. Le produit composite utilisé est par exemple un préimprégné unidirectionnel verre époxy commercialisé par la Société BROCHIER Industrie sous la référence BE M 10. A titre indicatif, de bons résultats ont été obtenus pour des lames de ressort appliquées à un petit véhicule utilitaire, en utilisant les paramètres suivants : - largeur L3 de la lame au niveau de ses extrémités = 70 mm. - épaisseur totale H3 + H4 du produit composite au niveau de I'attache l' attache 22 mm. On voit à la figure 3 que l' extrémité 3 de la lame 1 est constituée par un renflement de matériau composite disposé autour d' un tube d' acier 4 formant oeil, les épaisseurs totales du matériau au niveau de ce dernier étant constituée de couches 23-24 disposées respectivement à sa partie supérieure et inférieure, dont les épaisseurs, H3 et H4, peuvent être inégales (figure 5) ou égales (par exemple figures 6 et 7). L' opération de moulage donnant lieu au produit ci-dessus est illustrée aux figures 9 et 10. On dispose dans la matrice 30 d' un moule, comportant une cavité transversale 31 au niveau de chaque fixation 3 de l'extrémité du ressort 1, une ébauche 32 constituée d' une ou plusieurs couches de préimprégné. Sur un mandrin 33 pouvant coulisser verticalement dans des rainures 34 ménagées dans les parois 35 de la matrice au droit de la cavité 31, on positionne le tube rigide 36 destiné à renforcer l'oeil de fixation. Dans 1' exemple évoqué plus haut, ledit tube a un diamètre extérieur de 39 mm et un diamètre intérieur de 34 mm ; la présence du mandrin 33 évite son écrasement à la fermeture du moule, ainsi que son remplissage par de la résine excédentaire. On dispose alors une seconde ébauche 37 constituée d'une ou de plusieurs couches de préimprégné sur la précédente 32, ainsi qu'à la surface du tube 36 qui, le cas échéant, est revêtu d' une armature de fibres de verre avant son introduction dans le moule. On rapproche alors le poinçon 38 de forme correspondante qui comporte en outre des fourchettes 39, abaissant ainsi le mandrin 33 et assurant en fin de course son bon positionnement. Au début de cette opération, le préimprégné subit un fluage transversal homogène sous faible pression, puis la pression s' accroissant, les fibres de verre parallèles sont soumises à une certaine précontrainte longitudinale, tandis que l' excès de résine et les bulles d' air éventuelles sont évacuées vers le bac 40 disposé à l'extrémité libre de la matrice 30. La polymérisation de la résine s' effectue dans le moule thermo-régulé à une température comprise entre 120 et 2000 C et, on extrait le ressort ainsi obtenu avec ses fixations d' extrémité 3 venues simultanément de moulage, duquel on sépare l'excès de résine 41 qui y adhère encore. En référence aux figures 5 et 6, on a vu que l' épaisseur des couches de matériaux composite H3-H4 constituant la lame au niveau de l' oeil peuvent être inégales (: 23-24) ou égales (: 32-37) ; l'exemple ci-dessus se trouve dans ce dernier cas, et on observe un début de délaminage des extrémités du ressort pour une traction de 2.750 daN exercée sur l' oeil 36, un délaminage complet s'effectuant pour 4.650 daN, sans toutefois que l' on constate l' arrachement du tube. On améliore encore les performances du produit de l'invention en serrant la lame, de part et d' autre de l' oeil -36, au moyen de rondelles larges ou de barettes 50 et de boulons ou de rivets 51. Dans le cas des figures 7 et 8, le moule est conçu de façon à créer alternativement des goussets supérieurs 60 et inférieurs 61 aux extrémités 3 de la lame, de part et d'autre de l'oeil 36. Cette disposition brise la ligne d'amorçage du délaminage, retardant ainsi son apparition, et provoque par fluage transversal une certaine imbrication des fibres supérieures et inférieures du composite. Selon une autre version de l'invention représentée ià la figure l l, on dispose dans le moule plusieurs ébauches longitudinalement jointives 70-71 (trois, dans le cas présent) emprisonnant le tube 36 ou le mandrin 33, du fait qu' alternativement les unes passent par dessous (70) les autres par dessus (71). La forme définitive de l'oeil est obtenue par le fluage transversal du matériau composite, lors de la fermeture du moule. Selon une autre variante, les tubes 36 peuvent être remplacés par des bobines 80 tel que visible à la figure 12 ; la surface de collage de cette dernière avec le matériau composite est plus grande que dans le cas précédent ce qui augmente leur adhérence respective d' autant. Cet effet est encore accentué par la présence des bourrelets 81 à la face interne des flans 82, au niveau de la surface du matériau composite, ce qui constitue un certain verrouillage mécanique de 1' ensemble. On notera encore que la présence des tubes 36 ou des - bobines 80 n' est pas indispensable ; on obtient en effet des résultats satisfaisants lorsque les oeils d' extrémités de lames sont obtenus par simple moulage sur les mandrins 33, ultérieurement extraits en fin d' opération. On peut également remplacer les mandrins 33 par les articulations élastiques qui sont ainsi directement surmoulées au lieu d' être emmanchées ultérieurement dans les oeils. Les exemples précédents se rapportent à l' attache des extrémités de ressort selon des axes horizontaux ; les figures 13 et 14 concernent des attaches d' extrémités de lames selon des axes verticaux, utilisées notamment dans le cas de ressorts transversaux. Selon la technique antérieure, représentée à la figure 13, l'extrémité de la lame 90 en matière composite est pourvue d'une plaque 91 servant d' appui, collée à cette dernière, des vis 92 renforçant le cas échéant la liaison, un trou 93 traversant 1' ensemble ainsi constitué. Selon l'invention (figure 14) le trou 93, éventuellement muni d'une rondelle épaulée 94 de renforcement, est venu de moulage partiellement ou totalement par l'utilisation du dispositif selon les figures 15 et 16. Dans le premier cas, le moule des figures 9 et 10 est pourvu de deux pointeaux 95 se faisant face, portés respectivement par le poinçon 96 et la matrice 97 et arrivant pratiquement en contact, en position basse de la presse. Le trou ainsi ébauché est ultérieurement achevé à 1' aide d' une perçeuse. Dans le second cas, un mandrin mobile 98 est disposé dans la matrice 97 ; il est maintenu en position haute pendant la mise en place de l' ébauche de moulage 93 et sa polymérisation dans la presse, mais se trouve escamoté en position basse lors de la phase de démoulage de la lame. Les figures 17 et 18 se rapportent à un exemple de réalisation de bras de roues du type isocèle selon le procédé de l' invention, et plus particulièrement par analogie avec ce qui a été préalablement décrit au sujet de la figure 11. Le bras 100 de la figure 17 est obtenu en superposant dans un moule de forme adéquate non représenté, plusieurs ébauches en préimprégné à fibres orientées 103-104 longitudinalement jointives, constituant respectivement les tirants 101 et la traverse 102 ; dans le cas présent on juxtaposera dans le moule, pour chacun des éléments ci-dessus, au moins deux ébauches 103-104 de préimprégné à fibres orientées, les orifices de fixation 105-106 étant obtenus comme précédemment par des mandrins ou des tubes 107-108. On ferme alors le moule, déterminant ainsi le fluage transversal du préimprégné, la précontrainte longitudinale des fibres, 1' évacuation de 1' excès de résine et des bulles d' air, ainsi que la polymérisation du produit selon le processus précédemment décrit. On peut encore retarder 1 apparition d'amorces de délaminage dans le produit ci-dessus en disposant des éléments de solidarisation 109 tels que des vis, des brides ou des rivets. Une autre application de l'invention est représentée à la figure 19, où une bielle 110 est constituée par moulage d' au moins deux ébauches préformées de préférence identiques et de section rectangulaire disposées de part et d' autre de mandrins ménageant les orifices de fixation 111-112. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de produits en matériaux composites à fibres orientées, tels que des lames de ressort, des bras de suspension, des bielles pour véhicules automobiles, caractérisé par le fait qu' on obtient directement par moulage leurs attaches d' extrémités, en disposant dans la matrice (30) d'un moule comportant éventuellement une cavité transversale (31) au niveau de la fixation (3, 106, 111, 112) de l'extrémité dudit produit, une ou plusieurs ébauche (32, 37, 99, 103, 104) constituées d'une ou plusieurs couches de préimprégné à fibres orientées, que l'on rapproche le poinçon (38) de la matrice (30) en position de moulage, induisant dans le préimprégné un fluage transversal homogène, une précontrainte dans ses fibres longitudinales, une évacuation de 1' excès de résine et des bulles d'air éventuelles vers des bacs (40) disposés à l'extrémité libre de la matrice (30), que 1' on maintient la presse fermée pendant la polymérisation de la résine, et que 1' on procède alors au démoulage et au retrait des bavures (41) qui adhèrent encore au produit. 2. Procédé de fabrication de produits en matériaux composites à fibres orientées selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on obtient directement par moulage les attaches d'extrémité de ressorts (1) selon un axe horizontal, en disposant entre les ébauches (32-37), au niveau de la cavité transversale (31) correspondant à la conformation des fixations (3), un mandrin (33) de préférence pourvu d' un tube rigide (36) de renforcement, puis on procède au moulage et à la polymérisation dudit ressort (1), à son démoulage et au retrait des mandrins (33). 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on obtient directement par moulage des attaches d' extrémité de ressort (90) selon un axe vertical, en disposant respectivement sur le poinçon (96) et la matrice (97) et à proximité des extrémités de la lame (99), deux pointeaux (95) se faisant face et arrivant pratiquement en contact en position basse de la presse, déterminant ainsi des ébauches d' ouvertures dans les couches de préimprégnés à fibres orientées (99) donnant lieu à une lame de ressort après leur polymérisation dans la presse, lesdites ébauches étant ultérieurement transformées en ouvertures (93) par un percement complémentaire. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que' on obtient directement par moulage des attaches d' extrémités selon un axe verticale en disposant dans la matrice (97) un mandrin mobile (98), maintenu en position haute pendant la mise en place de 1' ébauche -(99) et sa polymérisation dans la presse, mais qui se trouve escamoté en position basse lors de la phase de démoulage de la lame (90). 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que 1' on obtient un bras de roue du type isocèle (100) en superposant entre une matrice et un poinçon de formes correspondantes, comportant une dépression au niveau de chaque orifice de fixation (105-106) dudit bras de roue, au moins deux ébauches (103-104) de préimprégné à fibres orientées séparées à leurs extrémités par des mandrins ou des tubes (107-108) conformant lesdits orifices de fixation, donnant ainsi lieu aux tirants (lot) et à la traverse (102), puis on rapproche le poinçon et la matrice le temps de polymériser la résine, et 1' on effectue alors le démoulage et 1' ébavurage éventuel de la pièce obtenue. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on obtient une bielle de moteur (110), en superposant entre une matrice et un poinçon de forme correspondante comportant une dépression au niveau de chaque orifice de fixation (111-112), au moins deux ébauches préformées de préférence identiques et de section rectangulaire, de part et d' autre de mandrins ménageant lesdits orifices (111-112). 7. Lame de ressort pour véhicule automobile résultant du procédé de la revendication 1, caractérisée en ce que la lame est serrée de part et d'autre de l'oeil (36) au moyen des barettes (50) et de boulons (51). 8. Lame de ressort résultant du procédé de la revendication 1, caractérisée en ce que le tube (36) est revêtu d' une armature en fibres de verre, avant son introduction dans le moule. 9. Lame de ressort résultant du procédé de la revendication 1, caractérisée en ce que des goussets (60-61) sont venus de moulage de part et d' autre des oeils (36), déterminant une imbrication des fibres du matériau composite, brisant la ligne d amorçage du délaminage et retardant ainsi son apparition. 10. Lame de ressort résultant du procédé de la revendication 1, caractérisée en ce que Il on dispose dans le moule plusieurs ébauches (70-71) longitudinalement Jointives, dont les extrémités passent alternativement par dessous ou par dessus le tube (36). 11. Lame de ressort résultant du procédé de la revendication 1, caractérisée en ce que 1' oeil d'extrémité est formé autour d' une bobine (80), dont les flans (82) comportent des bourrelets internes (81) disposés au niveau de la surface du matériau composite constitutif de la lame (1).