Brevet FR2629753A1 — publié le 19891013

PIECE EN MATERIAU COMPOSITE ET SON PROCEDE DE FABRICATION L'invention concerne essentiellement des pièces en matériau composite et leur procédé de fabrication. Il est déjà connu de fabriquer des pièces en matériau composite comprenant des fibres continues d'une extrémité à l'autre de la pièce, qui a ainsi une densité constante de fibres, en section transversale, sur toute sa longueur. Une telle pièce peut astre une simple barre profilée, ayant la même forme en section transversale sur toute sa longueur, ou bien elle peut avoir une forme plus évoluée, gracie à une section transversale de forme évolutive et d'aire constante. Lorsqutil est souhaitable, pour des raisons mécaniques, qu'une pièce de ce type ait une section transversale de forme évolutive et d'aire variable, on est conduit à disposer les fibres autour d'un noyau à la forme voulue, ou bien à superposer des couches de fibres de dimensions différentes. Dans les deux cas, la pièce doit être placée dans un moule spécial pour la polymérisation de la matière plastique qui enrobe les fibres. Ces deux procédés de fabrication sont relativement longs et coûteux, aussi bien en main d'oeuvre qu'en matériel. La présente invention a pour objet un procédé de fabrication de pièces en matériau composite, qui permette d'éviter ces inconvénients de la technique antérieure. Elle propose, à cet effet, un procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite, à partir d'une ébauche ou profilé à section de forme constante ou évolutive et d'aire constante, qui est formée de fibres continues s'étendant d'une extrémité à l'autre de l'ébauche et d'une matrice de liant enrobant les fibres, caractérisé en qu'il consiste à usiner l'ébauche pour obtenir ladite pièce, en procédant par enlèvement superficiel local de matière de telle sorte que le rapport diminution d'épaisseur sur longueur de la couche enlevée reste en tout point inférieur à une valeur maximale prédéterminée fonction du rapport des contraintes de cisaillement acceptables par la matrice et des contraintes de traction (ou de compression) acceptables par les fibres. L'invention permet donc d'usiner une pièce de matériau composite, pour lui donner une forme particulière prédéterminée, à partir d'une barre ou drun profilé formé de fibres continues sur toute sa longueur. Cet usinage, lorsqu'il est réalisé conformément à l'invention, permet d'obtenir une pièce qui peut travailler aussi bien en traction-compression qu'en flexion, sans délaminage des fibres dans les zones usinées. Corollairement, le procédé selon l'invention permet de faire l'économie de moules spéciaux à la forme de la pièce à obtenir. Selon une autre caractéristique de ce procédé, le rapport précité est de l'ordre de 1:10 pour des matériaux composites fibres de verre-résine époxy, de bonne qualité. En pratique, l'angle de coupe des fibres par rapport à leur direction longitudinale doit rester inférieur à une valeur comprise entre 5 et 100 environ, selon les types de matériaux composites. Le matériau composite peut être usiné par abrasion ou par coupe, au moyen par exemple d'une meule diamantée, d'une fraise, ou d'une scie. Il est avantageux que la loi de-variation de la section transversale de ladite pièce soit sensiblement parabolique, pour une optimisation des contraintes subies par la pièce lorsqu'elle travaille en flexion. Selon l'invention, cette loi parabolique peut être approchée par l'intersection d'un tronc de cône et d'un tronc de pyramide, qui sont deux surfaces facilement usinables par déplacement d'un outil en translation. L'invention propose également une pièce en matériau composite à fibres continues d'une extrémité à l'autre de la pièce, caractérisée en ce qu'elle comprend des faces ou facettes superficielles usinées, dont les angles d'inclinaison par rapport aux directions locales des fibres sont inférieurs à une valeur prédéterminée comprise entre 5 et 100 environ, selon le type de matériau composite. Selon une autre caractéristique de l'invention, les facettes précitées sont planes et/ou coniques. En particulier, la pièce peut comprendre des facettes planes, raccordées à une surface usinée sensiblement tronconique. La pièce peut également comprendre une partie de forme tubulaire, à surface interne usinée, par exemple tronconique. L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemple en référence aux dessins annexés, dans lesquels - La figure 1 est une vue schématique en plan d'une lame de suspension en matériau composite - La figure 2 est une vue de bout de cette lame; - La figure 3 représente schématiquement l'usinage d'un profilé à section carrée; - La figure 4 représente schématiquement l'usinage d'un profilé cylindrique - La figure 5 est une vue schématique en coupe axiale de l'extrémité d'un profilé tubulaire; - La figure 6 est une vue en perspective d'une poutre usinée selon l'invention. On se réfère d'abord aux figures 1 et 2 qui représentent, à titre d'exemple, une lame de matériau composite, usinée selon l'invention pour constituer une lame ressort de suspension pour véhicule automobile. Cette lame désignée généralement par la référence 10, est à section rectangulaire et est formée à partir d'un profilé en matériau composite à section transversale rectangulaire d'aire constante, dont le contour 12 est représenté en traits fantômes en figure 1. Ce profilé 12 est formé de fibres de verre continues sur toute sa longueur, parallèlement à son axe longitudinal 14, et d'une matrice formée d'une résine époxy par exemple qui enrobe les fibres. La lame 10 est obtenue à partir du profilé 12 par enlèvement superficiel de matière à ses extrémités longitudinales. Par exemple, l'extrémité gauche en figure 1 du profilé 12 est usinée, sur deux faces opposées, pour former deux faces planes 16 et 18 qui sont inclinées par rapport à la direction des fibres d'un angle al, a2 respectivement. De même, à l'extrémité opposée du profilé 12 sont usinées deux faces opposées 20, 22 faisant un angle a3,a4 respectivement avec la direction des fibres. Cet usinage permet, notamment dans le cas des pièces travaillant en traction et/ou en flexion, de parvenir à un compromis entre la tenue de la pièce en fatigue et l'optimisation de sa forme (au niveau des contraintes), à condition de respecter certaines conditions de coupe des fibres du matériau composite. Lorsqu'une pièce de matériau composite travaille en traction (ou en compression) ce sont les fibres du matériau composite qui déterminent la valeur maximale acceptable de la contrainte de traction (ou de compression). Par contre, lorsqu'une pièce de matériau composite travaille en flexion, c'est essentiellement la matrice qui, en permettant la transmission des efforts d'une fibre à l'autre, détermine la résistance à la flexion. C'est alors la valeur maximale de la contrainte de cisaillement acceptable par la matrice qui détermine la tenue de la pièce. L'invention permet de déterminer, à partir du rapport de ces deux caractéristiques, les valeurs maximales des angles de coupe des fibres du matériau composite. Pour un matériau composite fibre de verre-résine époxy de bonne qualité, le rapport de la valeur maximale acceptable de la contrainte de cisaillement de la matrice et de la valeur maximale acceptable de la contrainte de traction (ou de compression) des fibres est d'environ 1:10 lorsque le matériau travaille simultanément en traction (ou en compression) et en flexion dans des conditions limites correspondant au maximum des contraintes acceptables. Cette valeur du rapport est égale à la tangente de la valeur maximale de l'angle de coupe des fibres par rapport à leur direction longitudinale. On obtient ainsi une valeur de 50 environ.En pratique, les conditions limites de travail en traction (ou compression) et en flexion ne seront jamais atteintes simultanément, le matériau composite travaillant plus en traction (ou compression) qu'en flexion ou inversement, de sorte qu'il est possible d'augmenter la valeur maximale de l'angle de coupe des fibres jusqu'a environ 1duo. Pour un matériau composite de qualité ordinaire, le rapport des valeurs maximales acceptables de la contrainte de cisaillement de la matrice et de la contrainte de traction (ou de compression) des fibres est comprise entre 1:10 et 1:20 environ, ce qui correspond à un angle maximal de coupe des fibres de l'ordre de 50 en pratique (les conditions limites de travail en traction et en flexion étant supposées n'être pas atteintes simultanément). La lame de suspension des figures 1 et 2 pourra donc être utilisée en traction et en flexion dans des conditions normales, sans délaminage au niveau des faces usinées 16, 18, 20, 22, si les angles al, a2, a3 et a4 d'usinage restent inférieurs à une valeur d'environ 100. L'usinage des extrémités de la lame de suspension permet d'obtenir une flexibilité variable sur la longueur de la lame. L'usinage d'une face d'une pièce en matériau composite peut être réalisé par abrasion ou par découpe, par exemple au moyen d'une meule diamantée, d'une fraise ou d'une scie à ruban. Quand la pièce doit travailler dans un seul plan, on peut se contenter d'usiner au moins une de deux faces opposées d'un profilé à section rectangulaire ou carrée. Par contre, lorsque la pièce doit travailler dans au moins deux plans, l'usinage du profilé pour l'optimisation des formes et des contraintes devrait concerner ses quatres faces, ce qui peut poser des problèmes au niveau des arêtes 24 (figure 3) où les fibres sont coupées selon deux angles différents (les épaisseurs enlevées de matière étant représentées par des hachures). Dans ce cas, il est préférable d'usiner un profilé cylindrique à section circulaire tel que celui de la figure 4, en retirant une couche superficielle de de la périphérie du profilé, de variant de préférence linéairement en fonction de x (longueur de la zone usinée parallèlement à l'axe 26 du profilé) de telle sorte que de/dx reste toujours inférieur à la tangente dtun angle compris entre 5 et 100. La variation de la section du profilé usiné en fonction de x est alors une fonction quadratique de x. L'usinage par enlèvement de matière peut se faire aussi bien sur la surface cylindrique externe d'un profilé plein que sur la surface cylindrique interne d'un profilé tubulaire (cas représenté en figure 5). Dans cette figure, le profilé 28 a une forme initiale cylindrique tubulaire à section circulaire et est usiné à son extrémité 30, de façon à présenter une surface interne 32 tronconique dont le demi-angle au sommet doit être compris entre 5 et 100 environ, selon le type de matériau composite, pour respecter la condition énoncée plus haut. Le profilé usiné de la figure 5 peut être utilisé par exemple comme manche d'un outil travaillant en flexion (un piolet, un marteau, etc...), le fer de l'outil comprenant une partie tronconique emmanchée et collée dans l'extré- mité tronconique 32 du profilé 28. Lorsqu'on veut optimiser les formes et contraintes d'une pièce travaillant en flexion, la loi de variation de la section transversale de la pièce doit être parabolique. L'usinage selon une loi parabolique de l'extrémité d'un profilé de matériau composite est relativement difficile à réaliser, mais il peut être approché simplement par l'intersection d'un tronc de pyramide à section polygonale régulière et d'un tronc de cne de même axe, dont la base est le cercle circonscrit à la section transversale du profilé ou du tronc de pyramide, et dont l'extrémité opposée est par exemple le cercle inscrit à l'extrémité libre du tronc de pyramide Cette conformation est représentée en figure 6. Dans cette figure, le profilé 34 à section rectangulaire ou carrée comprend au moins deux facettes planes 36 usinées dans deux de ses faces opposées, ou quatre facettes planes 36 usinées dans ses quatre faces, en étant inclinées en direction de l'extrémité libre 38 du profilé qui est usinée en tronc de cne 40. Les facettes planes 36 forment initialement un tronc de pyramide dont les arêtes sont arasées par l'usinage du tronc de cône 40. La grande base du tronc de cône 40 est le cercle circonscrit à la base 42 du tronc de pyramide, et l'extrémité opposée ou petite base du tronc de cône est par exemple le cercle inscrit à l'extrémité correspondante du tronc de pyramide. On remarquera que les facettes planes 36 de l'extrémité usinée du profilé 34, qui sont formées dans deux faces perpendiculaires de ce profilé, ne sont pas adjacentes mais séparées par une fraction de surface tronconique, ce qui évite les problèmes d'usinage d'arêtes discuté plus haut en référence à la figure 3. De façon générale, il est préférable de conserver le même angle de coupe des fibres quand on usine une face d'un profilé, de façon à assurer une continuité de surface usinée et pour éviter une localisation de contraintes à la jonction entre deux surfaces usinées d'angle différent. Les parties usinées d'un profilé de matériau composite seront donc, de préférence, planes et/ou tronconiques. L'invention est applicable à de nombreuses pièces fabriquées en matériau composite, comme par exemple des bras de centrifugeuse, des ressorts de suspension de véhicules automobiles, des ressorts de stabilisation de caravanes, des ressorts spéciaux présentant des caractéristiques particulières de raideur, des poutres travaillant en flexion et présentant une égale résistance à la flexion sur leur longueur, etc... L'invention présente un intérêt essentiel dans le cas où ces pièces ne peuvent être réalisées simplement, c'est-à-dire avec une section transversale d'aire constante. Elle évite alors tous les inconvénients liés aux procédés classiques de fabrication de ces pièces spéciales. L'invention est également applicable à des pièces en matériau composite travaillant en torsion, et qui sont formées de nappes de fibres continues croisées entre elles, dès lors que les fibres croisées peuvent être coupées en respectant les conditions précitées. REVENDICATIONS 1) Procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite, à partir d'une ébauche ou profilé (12) à section de forme constante ou évolutive et d'aire constante, qui est formée de fibres continues s'étendant d'une extrémité à l'autre de l'ébauche et d'une matrice de liant enrobant les fibres, caractérisé en ce qu'il consiste à usiner l'ébauche ou profilé (12) pour obtenir ladite pièce (10), en procédant par enlèvement superficiel local de matière de telle sorte que le rapport diminution d'épaisseur sur longueur de la couche enlevée reste en tout point inférieur à une valeur maximale prédéterminée fonction du rapport des contraintes de cisaillement acceptables par la matrice du matériau composite et des contraintes de traction (ou de compression) acceptables par les fibres. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ce rapport est de l'ordre de 1:10 pour des matériaux composites fibre de verre-résine époxy, de bonne qualité. 3) Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'angle de coupe des fibres par rapport à leur direction longitudinale reste inférieur à une valeur comprise entre 5 et 100 environ, selon les types de matériaux composites. 4) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on usine le matériau composite par abrasion ou par coupe, au moyen par exemple d'une meule diamantée, d'une fraise, ou d'une scie. 5) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la loi de variation de la section transversale de ladite pièce est sensiblement parabolique. 6) Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que cette loi est approchée par l'intersection d'un tronc de pyramide (36) et d'un tronc de cdne (40). 7) Pièce en matériau composite à fibres continues d'une de ses extrémités à l'autre caractérisée en ce qu'elle comprend des faces ou facettes (16,18,20, 22,32,36,40) superficielles usinées, dont les angles d'inclinaison par rapport aux directions locales des fibres sont inférieurs à une valeur prédéterminée comprise entre 5 et 100 environ selon le type de matériau composite. 8) Pièce selon la revendication 7, caractérisée en ce que la valeur prédéterminée est de l'ordre de 100 pour un matériau composite formé de fibre de verre et de résine époxy. 9) Pièce selon la revendication 7 ou 8 caractérisée en ce que la valeur prédéterminée est fonction du rapport des contraintes de cisaillement acceptables par la matrice enrobant les fibres et des contraintes de traction (ou de compression) acceptables par des fibres. 10) Pièce selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisée en ce que lesdites faces ou facettes sont planes et/ou coniques. 11) Pièce selon l'une des revendications 7 à 10, caractérisée en ce qu'elle comprend des facettes planes (36), raccordées à une surface usinée sensible- ment tronconique (40). 12) Pièce selon l'une des revendications 7 à 11, caractérisée en ce qu'elle comprend une partie de forme tubulaire, à surface interne usinée (32). 13) Pièce selon l'une des revendications 7 à 12, caractérisée en ce qu'elle est à faces usinées planes non adjacentes.