Brevet FR2671757A1 — publié le 19920724

La présente invention concerne des structures creuses allongées du type mâts et enrouleurs de voiles en matériau composite ainsi qu'un procédé original pour la fabrication desdites structures. A ce jour, l'écrasante majorité des mâts de voiliers et des enrouleurs de voiles sont métalliques et, lorsqu'ils sont de dimensions importantes, posent de multiples problèmes du fait du poids des divers constituants, entraînant un poids global conséquent. Les mouvements relatifs générés au cours du fonctionnement normal d'un navire soumettent en outre l'ensemble de la structure à des efforts répétitifs variés, accentués dans les grands navires du fait de la grande surface de voilure. Pour obtenir une bonne résistance aux contraintes de traction/compression, flexion etc... ainsi qu'à la fatigue et aux chocs, les structures, en particulier de grandes dimensions, doivent être renforcées, souvent au détriment du poids et de l'encombrement obtenus. Or, les bateaux les plus exigeants à ce niveau, ceux qui participent à des compétitions sportives, sont également ceux qui subissent les sollicitations les plus intenses. Dans un premier temps, on a tenté de résoudre ces problèmes par l'usage de métaux et alliages légers, mais l'ensemble des pièces à assembler nécessaires au bon fonctionnement et offrant une bonne garantie d'intégrité dans le temps, notamment pour les voiliers de compétition, aboutit inévitablement à une structure lourde. Par la suite, les progrès effectués dans le domaine des matériaux composites se sont traduits dans ce secteur par l'emploi de carbone, par exemple dans la construction de mâts. Ceux-ci sont construits à l'aide de tissus ou fibres composites unidirectionnelles ou multidirectionnelles qui permettent d'obtenir des structures beaucoup plus légères mais qui ne sont pas exemptes de problèmes mécaniques, bien que leur résistance à la traction et à la compression soit excellente. Ces divers inconvénients sont toutefois éliminés dans les produits de l'invention, notamment parce que le procédé qui permet leur obtention garantit une bonne fiabilité des structures finies. En effet, dans le cas de mâts ou de bomes enrouleurs de voiles, le principe qui est à la base de ce procédé est le bobinage filamentaire de fibre composite, qui permet d'obtenir une structure homogène intégrant tous ces efforts, alors que les structures actuelles en matériaux composites sont constituées d'éléments assemblés, d'où l'apparition de zones de concentration de contraintes et de points de faiblesse entraînant une fiabilité douteuse. Dans les différentes solutions relevées dans l'état de la technique actuel, on peut mentionner: - des mâts dont les ralingues sont rapportées à l'extérieur de la structure tubulaire du mât proprement dit, et qui peuvent être collées, vissées au rivetées. On imagine sans peine les concentrations de contraintes naissant aux endroits de liaison entre le mât et sa ralingue, ces endroits devant être renforcés par des plaques d'aluminium ou autres matériaus adaptés, d'où une augmentation de poids. - des mâts dont les ralingues sont intégrées à la structure tubulaire de base, mais dont les éléments constitutifs sont assemblées entre eux et ont une face avant en forme de D et un tube arrière rond lui-même en deux parties. Ce type de structure génère bien entendu des points de faiblesse ou charnières, notamment aux points de jonction entre la face en D et le tube arrière. En outre, l'ensemble a un défaut de tenue latérale des lèvres arrières, au niveau de la fente longitudinale de la ralingue. D'une manière générale, ces structures composites comprennent souvent également des pièces rapportées en métal et particulièrement en aluminium du fait de sa légèreté, ce qui provoque cependant des problèmes additionnels à cause de la corrosion et des mélanges qui peuvent survenir. Le choix d'une structure basée sur un bobinage filamentaire ou sur un tressage permet la construction d'un ensemble complexe homogène et très résistant, avec de multiples variantes possibles. Ainsi, il est non seulement possible de fabriquer des mâts, mais plus généralement tout organe creux de forme allongée et répondant à des fonctionnalités proches ou analogues, tels que des bomes, des enrouleurs de voiles, ou des structures plus complexes combinant ces divers éléments. A cet effet, le procédé de l'invention, destiné à fabriquer des structures creuses allongées en matériaux composite du type mât de voilier ou enrouleur de voile, donc comportant le long d'au moins une génératrice au moins une fente destinée à guider et/ou à maintenir un matériaux en feuille, est caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes:: - réalisation d'au moins deux bobines de base en fibre composite dont l'une au moins est creuse, réalisées par bobinage filamentaire et/ou tressage sur mandrin ou équivalent et/ou par pultrusion et/ou par tissage et/ou par utilisation simultanée de plusieurs de ces techniques, bobines évidemment d'une taille qui n'est pas forcément égale à la longueur de la structure et agglomérées au moyen d'un agent liant, - on dispose les bobines ainsi réalisées parallèlement et au contact les unes des autres, en vue de réaliser un nouveau bobinage externe autour desdites bobines de base accolées, également aggloméré à l'aide d'un agent liant, et - on procède dans certains cas à l'enlèvement du ou des mandrins des bobines de base et on pratique le long d'au moins une génératrice une ou plusieurs fentes correspondantes dans la paroi de la structure creuse. Ce procédé peut être appliqué à un très grand nombre de configurations possibles, notamment grâce à la souplesse de combinaison entre les divers paramètres en jeu. Ainsi, il est possible de modifier le nombre de bobines de base, leur forme, le nombre des fentes longitudinales etc... Selon une possibilité, les bobines de base sont juxtaposées longitudinalement avec un gabarit de volume intégré dans la bobine externe. Pour des raisons techniques liées aux types de contraintes endurées par la structure, il peut être intéressant d'avoir des bobines à section constante ou de forme générale tronconique. En effet, on peut avoir besoin d'une zone renforcée à une extrémité qui correspondant alors à la base du tronc de cône. A l'inverse, une forme d'aspect conique permet un gain de poids pour les mâts de grande longueur, puisque le sommet s'affine. En outre, les mandrins se démoulent plus facilement que dans les cas où la section est constante. On peut aussi enfiler des tiges métalliques ou en matériau équivalent adéquat dans au moins deux bobines de base, en vue de s'en servir comme manchon pour placer des bobines bout à bout. Les configurations obtenues à l'aide du procédé de l'invention sont extrêmement solides, dépourvues de points de faiblesse ou charnières, et permettent une répartition optimale des efforts latéraux. Au surplus, le risque d'affaissement des parois de la partie ouverte est compensé par la conception elle-même, puisque les efforts correspondants sont distribués par les fibres sur l'ensemble de la structure. Enfin, le problème rencontré dans les dispositifs de l'art antérieur au niveau des lèvres de la fente, problème dû à la traction exercée par la voile sur le profil d'enroulement, est également compensé dans ce cas en raison de l'homogénéité de ce type de conception à base de bobinages, tressages ou tissages. Si l'on prend l'exemple d'une configuration très simple composée de deux bobines de base revêtues du bobinage extérieur, l'une des bobines de base combinée avec l'enveloppe extérieure sert de zone structurelle anti-vrillage. L'autre, dans laquelle est pratiquée la fente donnant sur l'extérieur, est la zone d'enroulement. Deux zones annexes ou joues peuvent être comblées avec des gaines techniques, des bobines annexes de renforcement etc... Elles sont parfois remplies de résine lors de la fabrication. Pour ce qui concerne les matériaux utilisés, il s'agit des matériaux composites classiques et des agents liants qui sont usuellement employés avec ceux-ci. Par exemple, le carbone, ou des matériaux du type commercialisés sous les marques SPECTRA, KEVLAR, DYNEMA etc.. Les liants peuvent être des résines synthétiques du type époxide, ou des colles telles que celles que l'on peut se procurer sous la marque NÉOPRENE, ou encore des liants thermoplastiques. Il est également possible de réaliser un mélange de ces différentes fibres afin d'allier les qualités de chacune. Les produits nés du procédé selon l'invention peuvent être déclinés selon une très large gamme d'utilisation, et il est possible de les employer simultanément ou séparément. Selon une définition générale, le produit de l'invention est une structure creuse allongée du type mât ou enrouleur de voile comportant le long d'au moins une génératrice au moins une fente destinée à guider et/ou maintenir un matériau en feuille, constituée d'au moins deux bobines de base en matériau composite revêtues d'un bobinage de base en matériau composite, l'agglomération desdites bobines étant réalisée par un agent liant. Une première configuration comprend deux bobines de base de section différente, une bobine principale de section supérieure à celle d'une bobine secondaire, et dotée d'au moins une fente le long d'une génératrice, placée au point de tangence entre la bobine de base et le bobinage externe. Il est à noter que l'on n'a pas distingué jusqu'ici, les applications possibles de la structure de l'invention. Cela s'explique par le fait que certaines sont conçues rigoureusement de la même manière, et proviennent en tout état de cause du même procédé de fabrication. Ainsi, un mât et un enrouleur ont-ils exactement la même structure, seule l'échelle de fabrication étant susceptible de les différencier. Selon une autre configuration, la structure se compose de trois bobines de base, une bobine principale de section supérieure à celles des deux bobines secondaires jumelles dans lesquelles sont pratiquées deux fentes parallèles au niveau des points de tangence entre lesdites bobines secondaires et le bobinage extérieur. Une variante de ces structures consiste à ajouter des bobines annexes tangentes en trois points aux bobines de base secondaire et principale et au bobinage extérieur, dans lesquelles peuvent être enfilées des tiges métalliques. Comme on l'a vu, il est possible de créer des bobines de diverses formes plus ou moins compliquées selon les objectifs requis. En particulier, on peut faire des bobines secondaires cylindriques, aplaties, prismatiques etc... Suivant une configuration possible, la bobine secondaire a une section complexe : un cercle tangent à un carré. En volume, cela se traduit par un rail tangent à un cylindre, puisque la fente est pratiquée dans le côté du parallélépipède opposé au cylindre, donc dans la zone de tangence entre le bobinage externe et le parallélépipède à section carré, d'où le nom de rail. Une seconde fente identique est au surplus creusée dans le rail au niveau de la zone de tangence avec le cylindre. Dans le cas d'un enrouleur à voile, le tambour d'enroulement peut faire partie intégrante de la structure globale ; il faut alors englober dans le même bobinage externe les bobines de base juxtaposées longitudinalement avec un gabarit de volume en mousse synthétique en forme de tambour enrouleur. Selon que la fente de la structure selon l'invention est placée sur la bobine secondaire ou principale, il s'agira d'un mât enrouleur de génois ou de grand voile. Une structure à deux fentes pourra être installée comme borne de grand voile et simultanément enrouleur de taud de soleil sur sa partie inférieure. Lorsque la ralingue incorporée comprend un rail de guidage parallélépipédique, ce rail est destiné à recevoir des chariots de lattes. Si les deux bobines secondaires sont jumelles et dotées de fentes homologues, la structure peut être utilisée comme enrouleur de génois à deux gorges. Dans la suite, l'invention va être décrite en référence aux figures annexées, pour lesquelles: - la figure 1 représente une coupe d'une structure simple construite à partir du procédé de l'invention, - la figure 2 montre une coupe partielle d'un mât enrouleur de grand voile muni d'un enrouleur, - la figure 3 schématise un enrouleur avec son tambour d'enroulement, - la figure 4 fait figurer un rail de guidage pour chariots de lattes, - la figure 5 montre un profil d'enrouleur de génois à deux gorges, et - la figure 6 en représente un à une seule gorge mais muni de bobines de renforcement. La figure 1 donne une bonne idée de la structure construite à l'aide du procédé de la présente invention. Les deux bobines de base (2) et (3) sont préalablement bobinées autour de mandrins, puis reliées, par exemple par ligature manuelle avant de servir de noyau à un bobinage externe (1) qui entoure l'ensemble. Une fente (4) est pratiquée suivant une génératrice de la structure, généralement sur le grand axe de la section ellipsoïdale, dans la zone de tangence entre la bobine interne et l'enroulement externe. Il est à noter que l'angle de bobinage est choisi selon l'utilisation future des structures, mais que l'on prend souvent un angle d'approximativement 45 , positivement ou négativement, lorsqu'il s'agit de résister à des efforts de vrillage, comme c'est le cas pour des enrouleurs de gênois, alors que l'angle choisi est de O# lorsque la structure est soumise à des efforts de tractionîcompression et à des angles différents lorsque les efforts sont multidirectionnels. Comme on l'a déjà mentionné, les joues (5) peuvent servir de gaines techniques, comme c'est le cas en figure 2 où elles sont occupées par des câbles électriques (6) de commande. L'expérience montre que ces joues, suivant le modèle et la taille, peuvent se remplir de résine lorsque cette dernière est employée comme agent liant des bobines. La figure 2 représente également, en coupe, un mât dont la ralingue (3) est occupée par un enrouleur (7) de même structure que ledit mât, et auquel est fixée la voile (8). La figure 3 montre un enrouleur avec son tambour d'enroulement (9) intégré dans la bobinage externe (1) et placé dans l'axe longitudinal des bobines de base. Les figures suivantes donnent des exemples de déclinaisons possibles des dispositifs de l'invention créés à l'aide du procédé également objet de la présente invention. En figure 4, nous avons un rail (10) couplé à la ralingue et destiné à guider des chariots de lattes (non représentés). En figure 5, deux gorges (11) correspondant à deux ralingues ont été représentées, alors que la figure 6 montre une variante munie de deux bobines annexes dans lesquelles peuvent au surplus être insérées des tiges métalliques, par exemple en acier inoxydable, en vue de renforcer la structure. Bien entendu, ces diverses configurations évoquées dans le texte ne constituent que des exemple de l'invention, qui ne peuvent toutefois pas être considérés comme limitatifs. Au contraire, toutes les variantes qui entrent dans le cadre de cette invention sont à englober. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de structure creuse allongée du type mât ou enrouleur de voile en matériau composite comportant le long d'au moins une génératrice au moins une fente destinée à guider et/ou à maintenir un matériau en feuille, caractérisé en ce que l'on réalise successivement au moins deux bobines de base dont l'une au moins est creuse, réalisées en fibre composite par bobinage filamentaire et/ou tressage sur mandrin et/ou par pultrusion et/ou par tissage, bobines qui sont agglomérées au moyen d'en agent liant, que l'on dispose ensuite lesdites bobines parallèlement et au contact les unes des autres en vue de réaliser un nouveau bobinage externe autour desdites bobines de base accolées, également aggloméré à l'aide d'un agent liant, que l'on procède dans certains cas à l'enlèvement du ou des mandrins des bobines de base et, que l'on pratique enfin le long d'une ou plusieurs génératrice(s) une ou plusieurs fente(s) dans la paroi de la structure creuse. 2. Procédé de fabrication de structure creuse allongée du type mât ou enrouleur de voile selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les bobines de base sont juxtaposées longitudinalement avec un gabarit de volume que l'on intègre dans le bobinage externe. 3. Procédé de fabrication de structure creuse allongée du type mât ou enrouleur de voile selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que un ou plusieurs mandrins ont une section constante. 4. Procédé de fabrication de structure creuse allongée du type mât ou enrouleur de voile selon la revendication précédente, caractérisé en ce que un ou plusieurs mandrins sont une forme générale tronconique. 5. Procédé de fabrication de structure creuse allongée du type mât ou enrouleur de voile selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que deux au moins des bobines de base peuvent contenir une tige métallique ou équivalent adaptée à leur diamètre intérieur. 6. Structure creuse allongée du type mât ou enrouleur de voile comportant le long d'au moins une génératrice au moins une fente destinée à guider et/ou maintenir un matériaux en feuille et fabriquée selon le procédé défini dans les revendications précédentes prises dans leur ensemble, caractérisé en ce qu'elle est constituée d'au moins deux bobines de base en matériau composite, revêtues d'un bobinage externe également en matériau composite, l'agglomération desdites bobines étant réalisée par un agent liant. 7. Structure creuse allongée du type mât ou enrouleur de voile selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle comprend deux bobines de base de sections différentes, une bobine principale de section supérieure à celle d'une bobine secondaire, et dotée d'au moins une fente le long d'une génératrice, placée au point de tangence entre la bobine de base et le bobinage externe. 8. Structure creuse allongée du type mât ou enrouleur de voile selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle comprend trois bobines de base, une bobine principale et deux bobines secondaires jumelles, deux fentes parallèles étant pratiquées au niveau des points de tangence entre lesdites bobines secondaires et le bobinage externe. 9. Structure creuse allongée du type mât ou enrouleur de voile selon l'une quelconque des revendications 6, 7 et 8 caractérisée en ce qu'elle comprend additionnellement des bobines annexes tangentes en trois points aux bobines secondaires, principale et externe, et dans lesquelles peuvent être enfilées des tiges métalliques ou d'un matériau adapté. 10. Structure creuse allongée du type mât ou enrouleur de voile selon l'une quelconque des revendications 6, 7, 8 et 9 caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une bobine secondaire de section complexe. 11. Structure creuse allongée du type mât ou enrouleur de voile selon la revendication précédente caractérisée en ce que la bobine secondaire a une section complexe se composant d'un cercle tangent à un carré, la fente étant pratiquée au niveau de la zone de tangence entre le bobinage externe et le rail à section carrée, une seconde fente identique étant pratiquée entre le rail et le cylindre qui lui est tangent. 12. Structure creuse allongée du type mât ou enrouleur de voile selon l'une quelconque des revendications 6 à Il caractérisée en ce que les zones intérieures hors des bobines de base ou joues servent de gaines techniques. 13. Structure creuse allongée du type mât ou enrouleur de voile selon l'une quelconque des revendications 6 à 12 caractérisée en ce que le gabarit de volume intégré dans le bobinage externe et juxtaposé longitudinalement avec les bobines de base est un gabarit de tambour enrouleur en mousse synthétique. 14. Application de la structure creuse allongée selon l'une quelconque des revendication 6 à 13 à des mâts de voiliers dont la ou les bobines de base dotées d'une fente sont les ralingues, dans lesquelles sont placées des enrouleurs de voile du même type que lesdits mats.