Brevet FR2624784A1 — publié le 19890623

PROCEDE ET DISPOSITIF DE FABRICATION D'UNE BOUTEILLE EN MAT- ERIAU COMPOSITE, ET BOUTEILLE AINSI OBTENUE L'invention concerne un procédé et un dispositif de fabrication d'une bouteille en matériau composite, en particulier pour le stockage de gaz à très haute pression, ainsi que les bouteilles obtenues par exécution de ce procédé ou mise en oeuvre de ce dispositif. On connaît déjà des réservoirs ou des bouteilles en matériau composite qui sont réalisés au moyen de fibres imprégnées de résine, bobinées sur une enveloppe métallique interne. Quand on met le réservoir sous pression, cette enveloppe métallique interne suit l'expansion du matériau composite fibre-résine et forme barrière d'étanchéité. Ces réservoirs sont très couteux, d'une part parce que l'enveloppe métallique interne est de fabrication complexe et coûteuse, d'autre part parce que le bobinage de fibres doit être effectué au moyen de machines spéciales, également très coûteuses. L'invention a précisément pour objet un procédé et un dispositif de fabrication d'un réservoir ou d'une bouteille de ce type, qui permettrait d'éviter ces inconvénients, en faisant appel à des moyens simples et peu coûteux. Elle propose à cet effet un procédé de fabrication d'une bouteille en matériau composite, en particulier pour le stockage de gaz à très haute pression, caractérisé en ce qu'il consiste à monter les extrémités d'un manchon d'élasto- mère ou de matière étanche analogue sur deux embouts reliés par une tige rigide, à enfiler sur le manchon au moins une tresse tubulaire de fils ou de fibres de matière synthétique ou minérale, à placer l'ensemble dans un moule dont la surface interne définit la forme de la bouteille à obtenir, à établir dans le moule une différence de pression entre l'intérieur et l'extérieur du manchon, tendant à appliquer ce manchon et la tresse sur la surface interne du moule, à injecter sous pression une résine polymérisable dans le moule à l'extérieur du manchon, pour en imprégner la tresse, et à polymériser cette résine. Le procédé selon l'invention ne nécessite pas l'utilisation de moyens spéciaux et est au contraire basé sur la mise en oeuvre d'une technologie simple, à investissement réduit et n'exigeant pas la conception et la réalisation de machines spéciales. Selon une autre caractéristique de l'invention, pour appliquer le manchon sur la surface interne du moule et injecter la résine à l'intérieur du moule, on met en dépression l'espace compris entre le-manchon et la surface interne du moule, et on relie l'intérieur du manchon à l'atmosphère ambiante. De cette façon, et très simplement, on réalise une mise en forme et un positionnement correct du manchon et de la tresse à l'intérieur du moule et on injecte la résine à l'intérieur du moule, en la faisant circuler par aspiration entre la surface interne du moule et le manchon. La polymérisation de la résine est réalisée par chauffage, au cours duquel on met de préférence l'intérieur du manchon en surpression. L'invention propose également un dispositif de fabrication d'un réservoir ou d'une bouteille en matériau composite, en particulier pour le stockage de gaz à très haute pression, caractérisé en ce qu'il comprend deux embouts reliés entre eux par une tige rigide, un manchon en élastomère ou matière étanche analogue, au moins une tresse tubulaire de fils ou fibres synthétiques ou minéraux, un moule à la forme de la bouteille à obtenir, des moyens pour établir dans le moule une différence de pression entre l'intérieur et l'extérieur du manchon monté avec la tresse sur les embouts, afin d'appliquer le manchon et la tresse sur la paroi interne du moule, des moyens pour injecter sous pression une résine dans le moule, entre le manchon et la surface interne du moule et des moyens pour polymériser la résine. Avantageusement, les moyens pour établir une différence de pression dans le moule comprennent une pompe à vide, raccordée à l'espace compris entre le manchon et la surface interne du moule. La tige reliant les embouts comprend de préférence un passage de communica- tion entre l'espace interne du manchon et l'extérieur du moule et permet donc, soit de faire régner la pression atmosphérique ambiante à l'intérieur du manchon, soit de mettre ce manchon en surpression. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, la tige précitée est reçue à une extrémité dans un logement borgne d'un embout et est montée par vissage sur l'autre embout. L'invention concerne également un réservoir ou une bouteille en matériau composite, obtenu par exécution du procédé précité ou par mise en oeuvre du dispositif précité, caractérisé en ce que les embouts de moulage forment les extrémités du réservoir ou de la bouteille. L'un de ces embouts comprend un logement borgne de réception d'une extrémité de la tige et forme le fond de la bouteille, tandis que l'autre embout comprend un passage axial fileté, ouvert à ses deux extrémités, formant orifice de remplissa- ge et de vidange de la bouteille. L'invention permet de diviser environ par quatre le prix de revient d'une telle bouteille. En outre, elle permet d'obtenir des formes irréalisables dans la technique antérieure, la bouteille pouvant être cylindrique droite, ou incurvée en arc de cercle ou à section non circulaire en fonction des utilisations prévues. D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit, donnée à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels: La figure 1 est une vue schématique en coupe partielle d'une bouteille selon l'invention; La figure 2 est une vue schématique en coupe partielle du dispositif de fabrication d'une bouteille selon l'invention; Les figures 3, 4 et 5 sont des vues schématiques en coupe partielle de variantes de réalisation de bouteilles selon l'invention. On se réfère d'abord à la figure 1 pour décrire la structure générale de la bouteille selon l'invention. Cette bouteille, ou réservoir de capacité faible ou moyenne (par exemple de 0,5 à 12 litres) comprend un embout 10 de fond et un embout 12 de tête ou de goulot, comprenant un passage axial traversant 14 qui forme orifice de remplissage et de vidange de la bouteille, et qui est de préférence fileté intérieurement. Chaque embout 10, 12 comprend une extrémité cylindrique 16, extérieure à la bouteille et une extrémité opposée 18 de forme tronconique, allant en s'élargis- sant dans la direction opposée à l'extrémité cylindrique 16. La bouteille comprend encore un manchon tubulaire 20 en élastomère ou en matière étanche analogue appropriée (caoutchouc naturel, silicone, caoutchouc synthétique...) qui forme une enveloppe interne de -la bouteille et dont les extrémités sont montées à étanchéité sur les embouts 10 et 12. La paroi 22 proprement dite de la bouteille est en matériau composite (fibre + résine) et, dans l'exemple représenté, comprend une partie intermédiaire cylindrique 24 raccordée par deux parties tronconiques 26 à deux extrémités cylindriques 28 entourant les extrémités cylindriques 16 des embouts 10, 12. Plus précisément, cette paroi 22 de matériau composite comprend plusieurs tresses tubulaires, enfilées les unes sur les autres, de fils ou fibres de matière appropriée qui sont imprégnées d'une résine telle qu'une résine époxy. Les tresses tubulaires utilisées sont de préférence en fils ou fibres de verre pour des raisons de prix de revient, mais peuvent être en fibre de carbone, en fibre aramide commercialisée sous le nom keviar, etc... Les tresses tubulaires de fibre de verre sont disponibles dans le commerce et sont caractérisées par un angle de croisement des fils de l'ordre de 500 à 550 par exemple, ce qui correspond à une résistance mécanique maximale du produit final. Le nombre de tresses peut varier entre 3 et 10 environ. De préférence, l'angle de croisement des fils des tresses est déterminé pour être constant lorsque les tresses sont enfilées les unes sur les autres pour constituer la paroi 22 de la bouteille selon l'invention. Les extrémités cylindriques 28 de la paroi 22 et celles du manchon 20 en élastomère sont maintenues à étanchéité sur les extrémités cylindriques 16 des embouts par tout moyen approprié: par exemple par frettage, ou encore au moyen de rubans annulaires de tresses de fibre de verre ou une autre matière appropriée, qui sont serrés sur les extrémités cylindriques des embouts et imprégnés de résine. Pour faciliter ce maintien, les extrémités 16 des embouts pourraient être légèrement tronconiques, en s'élargissant vers l'extérieur, ou être striées, ou rainurées. Une bouteille selon l'invention est destinée en particulier au stockage de gaz sous très haute pression. En particulier, les bouteilles selon l'invention sont. conçues pour stocker du gaz à une pression pouvant atteindre quelques centaines de bars. On se réfère maintenant à la figure 2 qui représente schématiquement un dispositif de fabrication d'une bouteille selon l'invention. On retrouve en figure 2 les embouts 10 et 12, et le manchon 20 en élastomère dont les extrémités sont enfilées sur les embouts 10 et 12. Ces derniers sont reliés entre eux par une tige rigide 30, dont une extrémité est reçue dans un logement borgne 32 de l'embout 10,dont l'autre extrémité est filetée et vissée dans le passage axial 14 de l'embout 12. L'ensemble embouts 10, 12 - tige 30 - manchon 20, sur lequel ont été enfilées des tresses tubulaires de fibre de verre (par exemple), est placé dans un moule 34 comprenant une partie intermédiaire 36 à surface interne cylindrique corres- pondant à la partie cylindrique de la bouteille obtenue, deux parties 34 à surface interne tronconique correspondant aux parties tronconiques 26 de la bouteille obtenue et au moins une partie d'extrémité 40 coiffant l'embout 10 de la bouteille. Des joints d'étanchéité 42 sont prévus entre les diverses parties 36, 38, du moule, qui sont reliées entre elles par des tirants 44. La tige filetée 30 permet, par vissage et dévissage dans l'embout 12, d'ajuster la distance entre les embouts pour que les parties du manchon 20 et des tresses tubulaires qui recouvrent les parties tronconiques 18 des embouts soient serrées sur les surfaces tronconiques des parties 38 du moule. Avantageusement, la tige filetée 30 comprend au moins un canal 46 dont une extrémité débouche sur sa surface périphérique entre les embouts, à l'intérieur du manchon 20, et dont l'autre extrémité débouche à l'extrémité de la tige 30 qui se trouve vissée dans l'embout 12. Ce canal 46 établit donc une communication entre l'intérieur du manchon 20 et l'extérieur du moule 34, par exemple par l'intermédiaire d'un raccord 48 vissé dans l'extrémité libre du passage 14 de l'embout 12. La partie 40 d'extrémité du moule 34 comprend un conduit 50 d'amenée d'une résine, telle qu'une résine époxy, relativement fluide, à l'intérieur du moule 34, dans l'espace entourant l'embout 10 de fond de la bouteille à obtenir. Le procédé de fabrication de la bouteille selon l'invention est le suivant: Les embouts 10 et 12 reliés par la tige 30 sont mis en place dans les extrémités du manchon 20 d'élastomère ou de matière analogue. Ce manchon peut, soit avoir une forme cylindrique droite à section constante, soit être préformé à la forme de la bouteille obtenue. Les tresses tubulaires (par exemple de fibre de verre) sont tout d'abord enfilées les unes sur les autres en nombre voulu, puis l'ensemble de ces tresses est enfilé sur le manchon 20 et les embouts 10, 12. L'ébauche de bouteille ainsi obtenue est placée dans le moule 34, dont les différentes parties sont ensuite serrées les unes sur les autres au moyen des tirants 44. La vis 30 permet d'appliquer à pression les parties tronconiques 18 des embouts sur les surfaces internes tronconiques des parties de moule 38, ce qui réalise une étanchéité. du montage des extrémités du manchon 20 sur les embouts 10, 12. Le moule 34 est ensuite raccordé à une pompe à vide ou placé dans une enceinte raccordée à une pompe à vide, tandis que le volume interne du manchon 20 est relié, par l'intermédiaire du ou des canaux 46 de la tige 30, à l'atmosphère ambiante pour rester à la pression atmosphérique. Par fonctionnement de la pompe à vide, la depression qui s'établit dans le moule 34 a pour effet de créer une dépression dans l'espace compris entre la surface interne du moule 34 et le manchon 20, et également d'amener, par aspiration dans le conduit 50, la résine à l'intérieur du moule. La pression atmosphérique régnant à l'intérieur du manchon a pour effet de plaquer les tresses tubulaires sur la surface interne du moule. La résine aspirée dans le moule circule entre les fils ou fibres des tresses, jusqu'à les imprégner complètement et gagne l'extrémité opposée du moule. Pour faciliter la circulation de la résine, on peut prévoir, comme représenté schémati- quement en figure 2, des canaux très fins 52 dans les surfaces internes tronconiques des parties de moule 38. On peut également prévoir une gorge annulaire entre la première partie de moule 38 et la partie intermédiaire 36, cette gorge se remplissant de résine et permettant une imprégnation plus uniforme des tresses tubulaires dans la partie intermédiaire cylindrique de la S bouteille et dans sa seconde partie tronconique. Lorsque les tresses tubulaires sont complètement imprégnées de résine, on casse le vide dans le moule 34 et on le place dans une étuve pour polymériser la résine. On peut également relier alors l'espace interne du manchon 20, par l'intermédiaire du canal 46 et de la tige 30 à une source de gaz sous pression, pour faire régner une surpression à l'intérieur du manchon 20. La qualité du matériau composite ainsi obtenu est améliorée. Pour fixer les idées, on indique- ra, à titre d'exemple, que la polymérisation d'une résine époxy peut être réalisée en une heure environ, à une température de 120 C et une pression de trois bars à l'intérieur du manchon 20. En variante, le moule peut être équipé de résistances i15 électriques de chauffage, pour la polymérisation de la résine. Lorsque la polymérisation de la résine est terminée, on démonte la partie 38 avant à surface tronconique du moule, et on extrait la bouteille terminée. La tige 30 peut être laissée telle qu'elle est, pour maintenir les embouts 10, 12 en place, ou bien elle peut être retirée par dévissage. On obtient alors la bouteille représentée en figure 1. On a représenté en figure 3 une variante de réalisation, dans laquelle les extrémités cylindriques 16 des embouts 10, 12, comprennent un filetage exté- rieur sur lequel est vissé un bouchon 54 comprenant une jupe cylindrique 56 se terminant, à une extrémité, par une surface tronconique 58 correspondant aux parties tronconiques 26 de la bouteille, et, à son autre extrémité, par un rebord annulaire 60 pourvu d'un filetage intérieur par lequel le bouchon 54 peut être vissé sur l'extrémité cylindrique 16 des embouts 10 et 12. Le vissage du bouchon se traduit par le serrage de chaque partie tronconique 26 de la bouteille entre l'extrémité tronconique 18 de l'embout correspondant et l'extrémité 58 du bouchon. On a représenté en figure 4 une autre variante de réalisation, dans laquelle l'extrémité tronconique 18 des embouts 10, 12 est remplacée par une extrémité 62 en forme de calotte sphérique. On obtient ainsi une bouteille dont les extrémités 64 ont une forme correspondante de calotte sphérique. La figure 5 représente une autre variante, dans laquelle l'embout 12 est identique à celui des figures 1 et 2, mais l'embout de fond 10 comprend une extrémité tronconique 66 orientée à l'opposé de l'extrémité tronconique 18 de l'embout 10 des figures 1 et 2. On obtient ainsi une bouteille ayant un fond 68 concave. Cette bouteille peut être stockée verticalement. Les embouts 10 et 12 sont de préférence métalliques mais peuvent également être réalisés en matière plastique renforcée. Le procédé et le dispositif selon l'invention permettent de réaliser des bouteilles cylindriques droites à section circulaire, des bouteilles incurvées en arc de cercle, des bouteilles à section non circulaire, etc. La fabrication en série ne pose pas de problèmes particuliers, des enceintes à dépression et des étuves de polymérisation pouvant être conçues pour contenir plusieurs moules à la fois. 8a 2624784 REVENDICATIONS 1/ Procédé de fabrication d'une bouteille en matériau composite, en particulier pour le stockage de gaz à très haute pression, caractérisé en ce qu'il consiste à monter les extrémités d'un manchon (20) d'élastomère ou de matière étanche analogue sur deux embouts (10,12) reliés par une tige rigide (30), à enfiler sur le manchon (20) au moins une tresse tubulaire de fils ou fibres en matière synthétique ou minérale, à placer l'ensemble dans un moule (34) dont la surface interne définit la forme de la bouteille à obtenir, à établir dans le moule une différence de pression entre l'intérieur et l'extérieur du manchon (20) tendant à appliquer ce manchon et la tresse sur la surface interne du moule, à injecter sous pression une résine polymérisable dans le moule à l'extérieur du manchon (20), pour en imprégner la tresse, et à polymériser cette résine. 2/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on polymérise la résine par chauffage sous pression à l'intérieur du moule. 3/ Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que, por appliquer la tresse sur la surface interne du moule et injecter la résine à l'intérieur du moule, on met en dépression l'espace compris entre le manchon (20) et la surface interne du moule et on relie l'intérieur du manchon (20) à l'atmosphère ambiante. 4/ Procédé selon l'une des revendications i à 3, caractérisé en ce que, pour polymériser la résine, on place le moule dans une étuve et on crée une surpression à l'intérieur du manchon (20). / Procédé selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que la tige (30) reliant les embouts (10,12) comprend un canal interne (46) reliant l'espace interne du manchon (20) à une extrémité de la tige débouchant à l'extérieur du manchon, et on relie cette extrémité de la tige à l'atmosphère ambiante ou à une source de gaz sous pression. 6/ Dispositif de fabrication d'une bouteille en matériau composite, en particulier pour le stockage de gaz à très haute pression, caractérisé en ce qu'il comprend deux embouts (10, 12) reliés entre eux par une tige rigide (30), un manchon (20) en élastomère ou en matière étanche analogue, au moins une tresse tubulaire de fils ou de fibres synthétiques ou minéraux, un moule (34) à la forme de bouteille à obtenir, des moyens (46, 48) pour établir dans le moule une différence de pression entre l'intérieur et l'extérieur du manchon (20) monté avec la tresse sur les embouts, pour appliquer la tresse sur la paroi interne du moule, des moyens g (50) pour injecter sous pression une résine dans le moule entre le manchon (20) et la surface interne du moule et des moyens pour polymériser la résine. 7/ Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que chaque embout (10, 12) comprend des moyens de saillie radiale (18) sur sa surface extérieure, formant butée d'application sur le manchon et la tresse. 8/ Dispositif selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que les moyens pour établir une différence de pression dans le moule (34) comprennent une pompe à vide, raccordée à l'espace compris entre le manchon (20) et la surface interne du moule (34). 9/ Dispositif selon une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que la tige (30) reliant les embouts (10,12) comprend un passage (46) raccordant l'espace interne du manchon (20) à l'extérieur du moule. / Dispositif selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que la tige (30) est filetée et est montée par vissage sur un des embouts. 11/ Dispositif selon l'une des revendications 6 à 10, caractérisé en ce que le moule (34) comprend une partie intermédiaire tubulaire (36) par exemple à surface interne cylindrique, et deux parties d'extrémité (38), à surfaces internes tronconiques raccordées par des tirants (44). 12/ Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que les embouts (10,12) comprennent une partie d'extrémité (18) de forme tronconique, conjuguée de celle des parties d'extrémités (38) du moule. 13/ Dispositif selon l'une des revendications 6 à 12, caractérisé en ce que les embouts se terminent par une partie d'extrémité cylindrique (16) sur laquelle sont appliquées les extrémités du manchon (20) et de la tresse tubulaire. 14/ Dispositif selon l'une des revendications 6 à 13, caractérisé en ce que la paroi interne du moule (34) comprend des canaux (52) de -circulation de la résine injectée. / Bouteille en matériau composite, en particulier pour le stockage de gaz à très haute pression, obtenue par exécution du procédé selon l'une des revendica- tions 1 à 5 ou par mise en oeuvre du dispositif selon l'une des revendications 6 à 14, caractérisée en ce que les embouts de moulage (10, 12) forment les extrémités de la bouteille. 16/ Bouteil!e selon la revendication 15, caractérisée en ce que l'un des embouts comprend un logement borgne (32) de réception d'une extrémité de tige et forme le fond de la bouteille, tandis que l'autre embout (12) comprend un passage axial fileté ouvert à ses deux extrémités et formant l'orifice de remplissage et de vidange de la bouteille. 17/ Bouteille selon la revendication 15 ou 16, caractérisée en ce que chaque embout (10, 12) comprend une extrémité cylindrique (16) sur laquelle sont serrées les extrémités du manchon (20) et de la tresse tubulaire. 18/ Bouteille selon la revendication 17, caractérisée en ce qu'elle comprend, à au moins l'une de ses extrémités, des moyens de serrage des extrémités du manchon (20) et de la tresse tubulaire sur les extrémités des embouts.