Brevet FR2603228A1 — publié le 19880304

L'invention concerne un procédé pour réaliser un tronçon rigide par enroulement d'un produit composite à base de fibres et de résine polymérisable, notamment destiné à constituer un élément de bras de robot à faible inertie de mouvement. Dans le domaine de la robotique il apparaît de plus en plus nécessaire de réaliser un matériel de faible poids, et ayant une grande portée tout en conservant une raideur compatible avec la précision d'utilisation. Ce matériel doit en particulier pouvoir être implanté sur des véhicules porteurs mis en oeuvre dans des sites variés comme par exemple en plein air pour des interventions sur des pylônes ou poteaux ou pour des travaux agricoles tels que ceuillette, arrachage ou à l'intérieur de locaux pour des manipulations diverses dans des usines, des centrales etc... La figure 8 illustre ce type de matériel. A l'heure actuelle les tronçons de bras robot sont généralement métalliques et présentent une masse, due à la raideur nécessaire, incompatible avec la faible inertie oe mouvement souhaitée. On a déjà pensé à substituer à ces composants métalliques des matériaux composites à base de fibres imprégnées d'une resine, et on connait à cet effet la technique qui consiste à draper les les de tissu préimprégné sur un mandrin métallique, puis à polymériser le drapage avant de rapporter aux extrémités, par collage et boulonnages les cadres qui constituent les extrémités des tron çons et qui servent d'éléments de liaison avec des articulations ou d'autres tronçons. Dans le domaine de la technique des matériaux composites on sait aussi procéder par enroulement filamentaire : on drape d'abord les lés de tissu pré imprégné aux emplacements des cadres sur un mandrin métallique puis on effectue par dessus un bobinage hélicoidal suivi d'un bobinage circonférentiel partiel avant d'usiner les portées de cadre et de les rapporter aux extrémités. Ces techniques nécessitent des outillages nombreux et des phases importantes de travaux, résultant de la préparation du mandrin métallique, de la polymeri- sation sous vessie en étuve du matériau composite, de la surveillance de ces différentes opérations ainsi que de toutes les interventions nécessitées sur les cadres et le mandrin pour les collages, boulonnages etc... Cela n'exclue pas non plus les risques de coupures de fibres, de perçage du composite, et de matage du composite du aux boulonnages, que peuvent présenter ces structures. Pour que les pièces réalisées suivant ces techniques résistent au flambage elles doivent être d'une épaisseur sensiblement égale, à celle de l'acier néanmoins les avantages apportés par le gain de poids sont largement détruits par les couts élevés de cette technologie, ce qui a conduit la Demanderesse à rechercher une solution qui s'affranchisse de ces inconvénients et qui permette de réaliser des tronçons rigides pour éléments de robotique, ne nécessitant qu'une faible masse, d'où faible inertie de mouvement, et présentant une grande raideur tout en limitant les coûts de production. A cet effet l'invention a donc pour objet un procédé de réalisation de tronçons rigides en matériau composite selon lequel on enroule sur une pièce formant support un produit composite à base de fibres et de résine polymerisable, procédé caractérisé en ce qu'il consiste, à préformer un support à partird'un panneau sandwich connu en soi, pour lui donner une forme tubulaire, de section éventuellement évolutive, à rapporter aux extrémités de ce support un cadre conformé à cette forme et muni de moyens d'accrochage, à former sur ledit support, muni dudit cadre à chaque extrémité, un treillis de fils en matériau composite à l'aide d'un bobinage filamentaire longitudinal parallèle à l'axe du support et d'au moins un bobinage filamentaire incliné par rapport à cet axe, lesdits bobinage s'accrochant auxdits moyens d'accrochage des cadres d'extrémité, à revêtir le treillis d'un bobinage circonférentiel complémentaire et à polymériser l'ensemble. Selon une caractéristique principale de l'invention, le cadre d'extrémité fixé à ladite forme tubulaire est réalisé sous la forme d'une couronne ayant une face d'appui inférieure muni d'un rebord interne, sur le pourtour de laquelle ont été réalisées des gorges, l'une intérieure l'autre extérieure, des rainures transversales étant creusées jusqu'à la base des gorges pour délimiter les moyens d'accrochage. Selon d'autres caractéristiques de l'invention le bobinage filamentaire longitudinal du treillis est réalisé selon les génératrices extérieures du corps cylindrique et les bobinages inclinés sont réalisés en sens inverse l'un de l'autre selon un angle de l'ordre de 450 par rapport au bobinage longitudinal pour être sensiblement perpendiculaire l'un à l'autre, les deux bobinages s'enroulant autour des pièces d'accrochage des cadres d'extrémité. D'autres caractéristiques particulières et avantages de l'invention apparaitront à la lecture de la description qui va suivre d'une forme de réalisation et en référence aux dessins annexés qui représentent figure 1, une vue schématique en coupe partiellement écorchée d'un tronçon de bras de robot figure 2,une vue en perspective d'un élément de panneau préfabriqué servant à réaliser le corps du tronçon selon la figure 1 ; figure 3, une vue en perspective d'un cadre d'extrémité figure 4, une vue à plus grande échelle d'une partie d'un cadre d'extrémité de la figure 3 figure 5, une vue extérieure à plus grande échelle d'une partie de tronçon montrant l'enroulement filamentaire figure 6, une vue partielle développée de l'enroulemen selon la figure 5 figure 7, une vue schématique d'un bobinage circonférentiel de tronçon ; figure 8, une illustration d'un bras robot utilisant des tronçons conformes à l'invention. En se reportant tout d'abord à la figure 1, on voit qu'un tronçon rigide obtenu selon l'invention est constitué d'un corps cylindrique de révolution 1 sur les extrémités duquel ont été collés deux cadres circulaires 2, munis de rainures 3. Ces rainures servent à constituer des moyens d'accrochage 12 d'un bobinage filamentaire 4 qui constitue un treillis 4 tout autour du corps cylindrique 1. Un bobinage circonférentiel complémentaire 5 est réalisé autour du treillis. L'ensemble est enfin polymérisé en étuve. Pour obtenir le tronçon rigide ainsi représenté, on part d'un panneau préfabriqué du commerce du type représenté à la figure 2. Il s'agit d'un panneau sandwich constitué d'un noyau 6 en nid d'abeilles muni de part et d'autre d'au moins une couche de stratifié 7. Ainsi pour éviter le flambage ultérieur du corps cylindrique, le noyau est par exemple en aluminium et la ou les peaux constituant les couchesen stratifiés de tissu de verre. Ces panneaux légers présentent une très bonne rigidité, un bon comportement en fatigue et aux vibrations, une excellente stabilité dimensionnelle et un très faible coefficient de dilatation. En outre ils se découpent aisément et peuvent être percés et fraisés. On peut donc les munir d'entailles 8 de faible profondeur par rapport à l'épaisseur du panneau. Pour aboutir au corps cylindrique 1, on plie le panneau préfabriqué pour l'enrouler autour d'un axe parallèle aux entailles 8 et lui conférer une forme tubulaire cylindrique. Ce pliage est rendu possible par les entailles qui se trouvent sur la face interne du cylindre ainsi réalisé. Des gabarits assurent le maintien du tronçon dans cette forme cylindrique, durant le collage des deux extrémités du panneau selon une génératrice au cylindre. Les figures 3 et 4 illustrent la forme du cadre d'extrémité 2 destiné à être collé à chaque extrémité du corps cylindrique 1 précédemment décrit. Il se présente sous la forme d'une couronne dans laquelle ont été fraisées des rainures radiales 3. Le profil de la couronne visible particulièrement à la figure 4, montre une face d'appui inférieure 9 munie d'un rebord interne 10. La partie supérieure de la couronne, sur ses pourtours intérieur et extérieur, porte des gorges 11, 11'. Les rainures radiales 3 sont creusées jusqu'à la base de ces gorges 11, 11'. Les rainures forment des créneaux et les gorges délimitent ainsi des moyens d'accrochage 12 de forme sensiblement trapézoïdale. Certaines de ces pièces sont munies de taraudages 13. Les cadres sont avantageusement réalisés en matériau métallique comme l'aluminium ou en matériau composite comme le verre époxy ou le carbone époxy. Ils servent à la fixation des tronçons aux éléments articulés 18 ou aux éléments support 20 du bras robot 22 (figure 8). Ces cadres 2 sont donc collés aux extrémités du corps cylindrique 1, par l'intermédiaire de leur face d'appui inférieure 9,leur rebord interne 10 venant en appui sur la paroi interne dudit corps. On a représenté à la figure 5 la réalisation d'un bobinage filamentaire formant un treillis 4 autour du corps cylindrique 1. On utilise les fils 14 qui sont par exemple des fils de carbone. Ces fils de carbone préimprégnés d'une résine époxy sont d'abord bobinés longitudinalement de haut en bas et de bas en haut comme schématisé par les directions L de bobinage. On constate que les fils suivent les génératrices extérieures du corps cylindrique entre deux créneaux 3 de chaque cadre d'extrémité, qui sont alignés selon l'axe du corps cylindrique. Sur chaque cadre les fils viennent s'enrouler autour des moyens d'accrochage 12 en se plaçant dans la gorge interne 11, avant de faire retour vers l'extérieur du corps cylindrique par la rainure 3 la plus voisine. Ce bobinage longitudinal L est ainsi assuré sur toute la périphérie du corps cylindrique. On effectue ensuite un premier bobinage incliné d'un angle Q1 de l'ordre de 450 par rapport au bobinage longitudinal L, comme le montre plus précisément la figure 6. De la même façon que pour le bobinage longitudinal, ce bobinage incliné i1 est constitué d'allers et retours de fil entre une rainure d'un cadre d'extrémité, et une rainure appropriée du cadre opposé, l'accrochage se faisant toujours par le passage de fil autour d'un moyen d'accrochage 12. Après ce bobinage 41 on effectue un autre bobinage incliné d'un angle A2 également de l'ordre de 450 par rapport au bobinage longitudinal L, mais en sens inverse c'est-à-dire perpendiculairement au bobinage . Le bobinage 82 est effectué de la même façon que le bobinage i1 par accrochage sur les pièces 12 des cadres 2. Chacun de ces bobinages, longitudinal ou incliné ou partie de ces bobinages peuvent être au moins doublés ou triplés pour renforcer le treillis, selon les caractéristiques désirées. Cette opération de bobinage peut être effectuée manuellement ou automatiquement à l'aide d'une machine à bobiner de type connu en soi. Le treillis 4 ainsi déposé par enroulement filamentaire sert à transmettre les efforts et à lier les cadres 2 nécessaires à la fixation du tronçon. Suivant les efforts à transmettre on peut faire varier l'angle i1 et l'angle 62 de O à 900 ainsi que la quantité de fils enroulés selon les directions. La combinaison de fils longitudinaux et de fils inclinés confère à la structure une bonne résistance à la flexion et la torsion. A l'issue de cette opération, on effectue un bobinage circonférentiel 5 tel qu'illustré à la figure 7, au-dessus du treillis 4 qui permet de maintenir le treillis en position et de le protéger, la gorge citérieure 11' est alorsgarnie. Ce maintien du treillis en position évite le flambage du tronçon et assure le passage des efforts pour lequel il a été dimensionné. Ce bobinage empêche le soulèvement des fibres de carbone pendant les sollicitations, les compressions et les torsions, et retient les fibres de carbone bobinées selon les enroulements inclinés s1 et i2 qui ont tendance à écarter les cadres 2 du corps cylindrique 1. Ce bobinage de fils de verre-époxy 15 est assuré à partir d'une bobine de distribution 16, le tronçon étant mis en rotation dans le sens indiqué à l'aide d'une machine classique de bobinage. L'ensemble ainsi obtenu est enfin polymérisé en étuve. On a ainsi réalisé un tronçon de bras robot d'un diamètre extérieur de 300 mm et d'une longueur de 700 mm ayant un poids de 4 kg, alors qu'un élément, comparable en raideur, réalisé en acier pèserait 20 kg; un autre élément, également comparable, réalisé par la technique utilisant un mandrin aurait un ordre de grandeur de poids d'environ 5 kg mais aurait un prix de revient environ six fois plus important. On comprend que les gorges 11, 11' ménagées dans les cadres d'extrémité 2 sont facultatives. Leur existence a pour avantage la possibilité d'intégrer l'accrochage du bobinage filamentaire formant le treillis 4 et le circonférentiel 5 dans le volume dudit cadre 2. On comprend encore que les moyens d'accrochage 12 de forme trapézoidale pourraient être de toute forme, par exemple circulaire, les cadres 2 seraient alors issus de pièces préalablement moulées. Lesdits moyens d'accrochage 12 pourraient également être rapportés sur la couronne 2 et fixés par tout moyen approprié. L'invention a été décrite relativement à un tronçon de forme cylindrique de révolution. D'autres sections, triangulaires, rectangulaires, carrées etc., peuvent être envisagées selon le même procédé, de même que toute fcrme conique ou pyramidale. Toutefois sur les parties planes de ces variantes de réalisation, le bobinage circonférentiel doit être revêtu d'une vessie pour effectuer la polymérisation en assurant une pression uniformément répartie pour plaquer la protection et le treillis contre le corps formant support. Un tissu pré imprégné peut en outre remplacer le bobinage circonférentiel 5. Le procédé précédemment décrit a permi de réaliser des tronçons de bras de robot, légers et résistants à la déformation. Néanmoins le procédé peut avoir d'autres applications industrielles pour former des sections de rampes d'arrosage pour machines agricoles ou d'arbres de transmission, des parties de coques ou de containeurs, des éléments de ponts de passerelles etc... REVENDICATIONS 1.- Procédé de réalisation de tronçons rigides en matériau composite selon lequel on enroule sur une pièce formant support un produit composite à base de fibres et de résine polymérisable, caractérisé en ce qu'il consiste, à préformer un support (1) à partir d'un panneau sandwich connu en soi, pour lui donner une forme tubulaire, de section éventuellement évolutive, à rapporter aux extrémités de ce support un cadre (2) conformé à cette forme et muni de moyens d'accrochage (12), à former sur ledit support, muni dudit cadre à chaque extrémité, un treillis (4) de fils en matériau composite à l'aide d'un bobinage filamentaire longitudinal L parallèle à l'axe du support et d'au moins un bobinage filamentaire incliné selon un angle d par rapport à cet axe, lesdits bobinages s'accrochant auxdits moyens d'accrochage des cadres d'extrémité, à revêtir le treillis d'un bobinage circonférentiel complémentaire (5) et à polymériser l'ensemble. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le panneau (1) à préformer est muni d'entailles (8) de faible profondeur permettant son enroulement autour d'un axe parallèle aux entailles pour lui donner une forme cylindrique, grâce à des gabarits qui maintiennent le panneau enroulé pendant le collage de ses extrémités longitudinales. 3.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le cadre d'extrémité (2) est réalisé sous la forme d'une couronne ayant une face d'appui inférieure (9) munie d'un rebord interne (10) sur le pourtour de laquelle ont été usinées intérieurement et extérieurement des gorges (11, 11'), des rainures transversales (3) étant creusées jusqu'à la base des gorges pour délimiter les moyens d'accrochage (12). 4.- Procédé selon les revendications 1 et 3, caractérisé en ce que le bobinage filamentaire longitu dinal L du treillis (4) est réalisé selon les génératrices extérieures du corps cylindrique en s'enroulant autour des moyes d'accrochage (12) des cadres d'extrémité (2). 5.- Procédé selon les revendications 1 et 3, caractérisé en ce que deux bobinages 41 et & 2 inclinés en sens inverse l'un de l'autre sont réalisés selon un angle de l'ordre de 450 par rapport au bobinage longitudinal pour être sensiblement perpendiculaires l'un à l'autre, en s'enroulant autour des pièces d'accrochage (12) des cadres d'extrémité (2). 6.- Procédé selon les revendications 1, 4 et 5, caractérisé en ce que tout ou partie des bobinages longitudinaux L ou inclinés X sont au moins doublés pour renforcer le treillis. 7.- Tronçon de bras de robot réalisé par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6