Brevet FR2645070A3 — publié le 19901005

FR 2645070 A3 19901005 FR 8904696 A 19890404 L'invention est relative aux éléments de structure, tels que barre, bielle, entretoise, poutre, élément de charpente, et arbre de torsion, réalisés en matériaux composites et destinés à supporter les contraintes mécaniques élevées d'extension, de compression, de flexion ou de cisaillement. De tels éléments sont en général composés d'un tube en matériaux composites dont les extrémités sont rendues solidaires de pièces métalliques de fixation. L'un des procédés de fabrication actuels consiste à fabriquer l'âme tubulaire sur des mandrins, en plusieurs parties ou nonolithique, démontables ou non, puis à coller à l'extrémité de l'âme obtenue, les pièces métalliques de liaison. Dans ce cas, il est nécessaire d'avoir recours b des mandrins de positionnement dérnontables. Un autre procédé consiste à fabriquer l'âme tubulaire sur des mandrins en cire, soluble après polymérisation de l'âme, ou sur des mandrins en mousse synthétique. Cette technique nécessite de prévoir, après la polymérisation de l'âme, une phase de fabrication complémentaire consistant à diluer le mandrin pour le faire disparaitre, ou à l'extraire du tube obtenu. De plus, elle exige que l'une des extrémités de l'élément, soit ouverte pour permettre l'élimination du mandrin. Il ressort de ce qui précède que les éléments de structure en matériaux composites actuels sont délicats à réaliser, sont onéreux et conduisent à de nombreuses reprises de fabrication qui interfèrent sur leurs caractéristiques mécaniques et ne permettent pas toujours d'obtenir les valeurs de résistance recherchée. La présente invention a pour but de fournir un élément de structure, plus facile à réaliser, pouvant résister à des contraintes élevées, tout en ayant une plus grande légèreté que des pièces métalliques de performances identiques et dont la résistance peut tre adaptée au type de contrainte que doit supporter cet élément. A cet effet, dans cet élément de structure, du type comprenant un tube composé d'un enroulement filamentaire et des pièces extrêmes de fixation, les pièces de fixation sont liées mécaniquement à une âme en matière thermo-plastique, de caractéristique mécanique adaptée b l'application, âme sur laquelle est enroulé l'enroulement filamentaire de renfort. Ainsi, l'élément est composé d'un enroulement filamentaire de renfort et d'un sous-ensemble qui, comprenant les pièces de fixation extrême et leur âme de liaison, assurent la liaison permanente de ses pièces et constituent mandrin pour l'enroulement. Grâce b celas les pièces sont liées l'une a l'autre å la fois par l'âme et par l'enroulement. L'invention vise également le procédé de fabrication de cet élément de structure. Ce procédé consiste, d'abord, å assurer la liaison des pièces extrêmes de liaison avec une âme en matière thermo-plastique, puis, å utiliser l'ensemble obtenu comme mandrin pour l'enroulage des fibres composant l'enroulement filamentaire du tube de renfort externe en matériaux composites. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui suit en référence au dessin schématique annexé représentant å titre d'exemples non limitatifs quelques formes d'exécution de cet élément de structure. Figures 1 et 2 sont des vues partielles de côté en coupe transversale d'une forme d'exécution et d'une variante d'un élément de structure comportant une âme creuse, Figure 3 est une vue partielle de coté en élévation montrant une autre forme d'exécution d'un élément de structure avec une âme pleine, Figure 4 est une vue partielle de côté en élévation montrant une variante de réalisation de l'élément structure de figures 1 et 2, Figures 5 et 6 sont des vues partielles de côté montrant deux formes de réalisation des moyens de fixation associés aux pièces extrêmes. Dans ces dessins, 2 désigne un ensemble composite forme de fibres, telles que fibres d'aramide, de verre, de carbone, de bore ou autres, liées å une matrice, telle que résine époxyde, polyester, vinylester ou thermoplastique. De façon connue, cette partie assure la résistance mécanique de l'élément lorsque celui-ci est soumis à des efforts de traction, de compression, de torsion ou de flexion. 1 désigne l'une des deux pièces métalliques fixée aux extrémités de cet enroulement et réalisée en acier, en alliage d'aluminium, en titane ou autre. Selon l'invention, les deux pièces extrêmes 1 de chacun des éléments de structure, selon l'invention, sont liées l'une å l'autre par une me en matière thermoplastique 3. Comme le montre les figures, chaque pièce extrême 1 est en forme de coupelle, c'est à dire comporte une jupe évasée 5 comportant au moins sur sa face externe un profil en escalier 6. La coupelle est solidaire de moyens de fixation pouvant être constituer par une tige filetée 7 avec écrou 8, fixe ou tournant, par une tête de bielle 9, comme représenté B la figure 5, par une chape de fixation 10 comme montré à la figure 6, par un système å bille à enclenchement rapide ou par tout autre moyen. Dans la forme d'exécution représentée à la figure 1, l'âme 3 est tubulaire et délimite une cavité interne 3a qui peut être utilisée å l'état vide, ou comme montré à la figure 2, remplie par une mousse 4 en matière synthétique renforçant sa rigidité et sa tenue. Dans la forme d'exécution représentée à la figure 3, l'même référencée 3b est monolithique et forme une barre de section pleine. L'âme 3 ou 3b peut présenter toute section circulaire, elliptique ou polygonale, en fonction des besoins et des applications.Un tel élément de structure est fabriqué de la façon suivante. Les deux pièces extrêmes de fixation sont préalablement enduites sur leurs faces devant venir en contact avec l' me 3 par une couche de matière thermoplastique de même nature que celle devant constituer l'âme 3. Elles sont ensuite disposées dans un moule de rotomoulage qui, après fermeture, reçoit une quantité dosée de matière thermoplastique a l'état fondu ou à l'état pulvérulent. Après polymérisation et durcissement de la matière thermoplastique et ouverture du moule, les deux pièces de fixation sont liées l'une à l'autre par l'ame 3 et forment ainsi un ensemble ayant la forme générale des mandrins utilisés pour assurer l'enroulement filamentaire des fibres constituant l'ensemble composite 2.Il est alors procédé à l'enroulement filamentaire de ces fibres sur le mandrin ainsi obtenu. Bien entendu, ces fibres peuvent être imprégnées ou non de le matière syntétique constituant leur matrice de liaison. Il faut noter que grâce b leur forme extérieure en profil d'escalier 6, les coupelles 5 des pièces extrêmes assurent un bon accrochage de l'enroulement filamentaire, ce qui permet la reprise totale des efforts mécaniques en traction entre l'ensemble composite 2 et ses pièces d'extrémité 1. Pour certaines applications nécessitant un enroulement filamentaire sous forte tension, pouvant déformer le mandrin ainsi obtenu, celui-ci est renforcé par la matière synthétique expansé 4, comme montré a la figure 2, ou présente une section pleine comme représenté en 3b à la figure 3. L'injection de mousse 4 est aussi utilisée pour des éléments de structure ayant des sections importantes afin de renforcer la rigidité de ces éléments. Enfin, l'ensemble formé par les pièces d'extrémité 1 et l'âme 3 peut être renforcé par un enroulement filamentaire externe imprégné de résine mais sans apport de résine complémentaire. Dans la variante d'exécution représentée h la figure 4, l'âme 3 est elle-même renforcée à coeur par au moins une nappe de renfort 12 conformée tubulairement. Cette nappe, préimprégnée ou non, par la matière synthétique constituant l' me 31 est disposée dans le moule de rotomoulage avant introduction de la matière synthétique et avant chauffage et fusion de celle-ci. De préférence, dans cette application visant la fabrication de barre, la matière thermoplastique constitutive de l'âme 3 est choisie parmi celle présentant une haute résistance et un faible allongement. Dans une variante de réalisation, visent la fabrication de barres et d'entretoises, l'élément de structure est réalisé b partir d'un tube en matériau thermoplastique, renforcé ou non par la nappe 12, et dont les extrémités sont fondues, dans un moule de positionnement approprié, sur les pièces d'extrémité 1 préalablement traitées en surface. Après cette opération, l'ensemble obtenu est composé du tube solidaire des deux pièces extrêmes et constitue, comme dans la forme d'exécution précédente, mandrin permettant l'enroulement filamentaire de la couche externe de renfort. Il ressort de ce qui précède que quelque que soit sa forme de mise en oeuvre, ce procédé de fabrication permet d'obtenir en une seule opération la liaison des deux pièces extrêmes et la constitution d'un mandrin d'enroulage filamentaire permettant de faciliter la réalisation de l'élément de structure, mais aussi d'adapter les caractéristiques mécaniques de cet élément å son application. Un tel élément de structure peut être utilisé pour fabriquer des arbres, des manivelles, des bielles de traction, des barres de torsion, des éléments de construction pour antenne, pilône, hangar, pour couverture démontable, des éléments de structure pour bâtiments et charpente, et tous éléments pour l'industrie. REVENDICATIONS 1. Elémént de structure en matériaux composites, du type comprenant un tube composé d'un enroulement filamentaire dont les fibres sont liées par une résine et des pièces extrêmes 1 de fixation, caractérisé en ce que les pièces extrêmes 1 sont liées mécaniquement b une âme 3 en matière thermoplastique, de caractéristique mécanique adaptée h l'application, âme sur laquelle est enroulé l'enroulement filamentaire 2 de renfort. 2. Elément de structure selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'âme en matière thermoplastique 3 est renforcée h coeur par au moins une nappe 12 conformée tubulairement. 3. Elément de structure selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'âme 3 en matière thermoplastique est tubulaire. 4. Elément de structure selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérise en ce que l'ame en matière thermoplastique est pleine. 5. Elément de structure selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'âme 3 en matière thermoplastique est remplie par une mousse 4 en matière synthétique expansible. 6. Elément de structure selon la revendication 1 et l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que chaque pièce de fixation 1 est en forme de coupelle å jupe évasée 5 et comporte, au moins sur la face extérieure de sa jupe évasée 5, un profil en escalier 6, de liaison avec les composants des extrémités du tube composite extérieur 2. 7. Procédé de fabrication d'un élément de structure, caractérisé en ce qu'il consiste d'abord a assurer la liaison des pièces extrêmes 1 avec une âme 3 en matière thermoplastique, puis, à utiliser l'ensemble obtenu comme mandrin pour l'enroulage des fibres composant l'enroulement filamentaire 2 de l'ensemble composite externe de renfort. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la liaison des pièces extrêmes 1 avec l'âme 3 en matière thermoplastique est assurée par dépôt dans un moule de positionnement, d'une part, des pièces extrêmes 1 et d'autre part, d'un tube en matière thermoplastique, renforcé ou non par une nappe 12 et par fusion localisée des extrémités du tube sur les pièces extrêmes 1. 9. Procédé selon. la revendication 7, caractérisé en ce que la liaison des pièces extrêmes 1 avec l'âme 3 en matière composite est assurée par dépôt des pièces extrêmes 1 aux extrémités d'un moule de l'amie 3 et par fusion et solidification d'une matière thermoplastique introduite dans le moule.