Brevet FR2665665A1 — publié le 19920214

La présente invention concerne un procédé pour fabriquer des éléments tubulaires rectilignes ou de préférence coudés ou circulaires tels une raquette de tennis, une jante de roue de bicyclette, un tube de cadre ou de fourche de bicyclette, un manche de club de golf, une canne à pêche, une armature de siège d'avion, un wishbone de planche à voile, à partir d'enveloppes composites complexes composées de fibres de verre, de carbone, d'aramide ou autre préalablement imprégnées de résine thermodurcissable puis enroulées autour d'une enveloppe gonflable avant d'être introduites dans un moule. Ce procédé est particulièrement rapide donc économique car il peut être mis en oeuvre d'une façon répétitive à partir d'une machine d'enroulement filamentaire à commande numérique. Les figures 1 et 2 illustrent les méthodes classiques pour fabriquer ces enveloppes de fibres composites. Ainsi la figure 1 présente le procédé classique de préparation par tressage de plusieurs couches superposées de fibres sèches de verre de carbone, ou autre autour d'un noyau élastique et compressible fait d'une mousse élastomère. Cette technique a pour avantage de permettre d'une part la préparation en continu sur des machines textiles de tressage de l'enveloppe et d'autre part une introduction facile dans les matrices des moules. Mais par contre il faut injecter de la résine dans les dits moules ce qui est une opération délicate qui nécessite des moules onéreux. Par ailleurs les fils de fibres sèches, lors de leur tressage sont torsadés ainsi lorsqu'ils seront plaqués contre le moule lors de la polymérisation de la résine ils auront tendance à laisser de petits vides conférant au produit moulé final un mauvais aspect de surface.On sait aussi que les machines de tressage en continu ne permettent pas de faire varier les angles de tressage d'une même couche à volonté. Cet inconvénient est particulièrement lourd lorsqu'il s'agit de fabriquer l'enveloppe destinée à constituer le cadre d'une raquette de tennis. On sait en effet que tous les points d'un bon cadre ne sont pas sollicités de la même façon: certains le sont plus en flexion qu'en torsion ou inversement. Ce procédé ne permet pas non plus de faire varier le nombre de couches de fibres selon les endroits de l'enveloppe.Enfin le noyau compressible en mousse autour duquel les tresses sont formées ne permet pas d'obtenir des pressions élevées pour plaquer les fibres sur les parois du moule ce qui limite la qualité du matériau composite obtenu en final après polymérisation La figure 2 présente le second procédé classique de préparation par roulage autour d'un tube gonflable, par exemple en cellophane, préalablement introduit autour d'un mandrin rigide servant à faciliter le roulage de nappes et de tissus de fibres préalablement imprégnés de résine thermodurcissable. Les nappes préalablement découpées sont disposées à plat selon diverses orientations puis roulées les unes après les autres, de telle façon qu'elles soient superposées, autour de l'enveloppe de cellophane. Le mandrin rigide étant enlevé l'enveloppe composite est introduite dans les cavités d'un moule. On injecte alors sous forte pression, par exemple de l'air sous 15 kg/cm2, qui fera plaquer l'enveloppe sur les parois du moule alors chauffé pour faire polymériser la résine. On peut également, tel que décrit dans le brevet des États-Unis n0 4.070.020, introduire un mélange moussant lors de la polymérisation. Ce second procédé présente également des inconvénients. En effet il est difficile de prédécouper exactement la bande de tissu ou de nappe à enrouler pour que les bords latéraux de celle-ci soient à l'aplomb rigoureux l'un de l'autre. En réalité on fait généralement en sorte que le bord extérieur chevauche légèrement le bord intérieur. I1 en résulte que les propriétés mécaniques de l'élément obtenu ne sont pas isotropes autour de l'axe de celui-ci. Le long de la génératrice sur laquelle se chevauchent les dits bords latéraux de la bande de tissu ou de nappe, l'élément tubulaire présente une plus grande rigidité. Par ailleurs, les couches de tissu superposées, lorsque la résine qui les imprègne est polymérisée, ont tendance à se délaminer sous les efforts et les flexions répétés.On sait aussi que lors de l'introduction de l'enveloppe dans la cavité du moule, les couches superposées de nappes et de tissus ont une tendance naturelle à se dérouler ce qui ne permet pas d'obtenir des produits de qualité absolument constante. Également lors de cette introduction dans le moule, des plis se forment à l'intérieur du rayon de courbure alors que les nappes sont tendues à l'extérieur. I1 en résulte une moindre résistance de l'enveloppe polymérisée finale. Enfin, il est clair qu'il est également impossible de faire varier en tous points de l'enveloppe les angles des fibres composant les couches de nappes déposées. La présente invention a pour objet de remédier aux inconvénients des méthodes connues rappelées ci-dessus. Conformément à l'invention on propose un procédé qui consiste à enrouler des mèches de fibres résistantes de verre, de carbone, d'aramide ou autres, imprégnées de résine synthétique durcissable autour d'une enveloppe étanche gonflable, par exemple en cellophane ou en polypropjlène, elle-même habillant un mandrin rigide destiné à être enlevé après l'opération d'enroulement filamentaire menée sur une machine automatique. Ce procédé permet de déposer selon des angles variables des mèches de fibres préimprégnées de résine. Le complexe formé de fibres entrelacées et imprégnées de résine étant séparé de son mandrin rigide peut être alors introduit dans la cavité d'un moule. L'air ou un gaz neutre, sous forte pression, est alors introduit dans le boyau gonflable venant plaquer les mèches de fibres sur les parois du moule alors chauffé pour faire polymériser la résine de preimpregnation. On remarquera que le procédé selon l'invention permet de faire varier à volonté les qualités de flexion et, ou, de résistance à l'écrasement d'un tel élément tubulaire. En effet, il est ici possible d'agir sur le pas des dits enroulements soit pendant un enroulement dans un sens déterminé, soit entre deux enroulements consécutifs de sens opposé. De plus, il est possible d'utiliser successivement des mèches de fibres de qualités mécaniques différentes. Bien entendu, il est également possible de jouer avec le nombre des dits enroulements croisés et superposés. Ainsi, selon l'invention, on obtient un élément tubulaire souple avant polymérisation, présentant après étuvage des qualités de flexion et de résistance au délaminage et à ltécrasement, remarquable en ce qu'il est constitué par un entrelacs de mèches de fibres hélicoïdales pouvant être croisées selon des angles différents formant une surface tubulaire sans lacune. Une bande de mèches formant un ruban de fibres unidirectionnellement orientées peut être placée selon une génératrice de l'enveloppe lui conférant en cette ligne une plus grande rigidité après gélification de la résine.Enfin selon la figure 5 on peut réaliser deux opérations d'enroulement filamentaire de deux fibres différentes superposées formant en une partie seulement de Enveloppe un complexe composite de deux couches. Les objectifs et avantages précités de l'invention ainsi que d'autres apparaltront clairement d'après les descriptions suivantes données à titre d'exemples indicatifs mais nullement limitatifs en référence aux dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est une vue schématique du procédé connu de préparation de l'enveloppe par superposition de tresses (1), (2) et (3) tissées par machine autour d'un noyau (4) de mousse compressible. - la figure 2 est une vue schématique du procédé connu de préparation de l'enveloppe par roulage de nappes (5), (6) et (7) autour d'un boyau (8) en cellophane transparente gonflable lui-même enveloppant le mandrin (9) permettant le roulage des nappes et destiné à être chassé avant introduction de l'enveloppe dans le moule, ~les figures 3, 4 et 5 présentent en vue schématique diverses réalisations du procédé de préparation de l'enveloppe conforme à l'invention. Conformément à l'invention, on propose ainsi un procédé rapide et économique faisant appel à peu de main d'oeuvre pour fabriquer l'enveloppe de fibres de verre, de carbone, d'aramide, préimprégnées de résine qui introduite dans un moule permettra de réaliser un élément tubulaire éventuellement non rectiligne telle une raquette de tennis, une jante de roue de bicyclette, un tube de cadre ou de fourche de bicyclette, un manche de club de golf, une canne à pêche, une armature de siège d'avion, un wishbone de planche à voile. En référence à la figure 3, on enroule une mèche (10) en fibres de carbone autour d'un boyau (11) en cellophane étanche, gonflable, lui-même préalablement introduit sur un mandrin d'entraînement (12) creux destiné à être enlevé lorsque l'opération d'enroulement de la mèche (10) sera terminée le boyau (11) étant complètement recouvert. Pour faciliter l'opération de déshabillage du mandrin creux (12) celui-ci est perforé de trous (a) qui laisseront passer de l'air sous pression venant décoller l'enveloppe gonflable plaquée par la pression des fils enroulés (10). En se référant à la figure 4, on peut voir sur l'enveloppe en préparation que la mèche (15) est déposée selon des angles différents (I Sa), (15b), (15c), qui sont obtenus en faisant varier la vitesse de rotation du mandrin creux d'entraînement (12) lors de la dépose de la mèche le long du mandrin à vitesse constante autour du boyau (11) le recouvrant. On peut voir aussi que le ruban (14) de mèches de fibres unidirectionnelles, en carbone par exemple, qui a été posé après un arrêt de l'opération d'enroulement, est pincé sur le boyau de cellophane entre la mèche (13) et la mèche (15) bobinée après arrêt. La bande (14) de fibres unidirectionnelles se trouve ainsi maintenue en position le long du complexe et, après polymérisation confèrera des caractéristiques mécaniques particulières. La figure 5 illustre une variante préférée de réalisation qui rassemble les plus nombreux avantages du procédé selon l'invention. Ainsi après avoir habillé le mandrin creux (I 6), perforé de trous (a) qui serviront lors du déshabillage de l'enveloppe composite, d'un boyau (17) souple et résistant par exemple en cellophane ou en polypropylènes on enroule la fibre (18) en carbone, par exemple, autour du mandrin habillé. La mèche de fibres (18) est enroulée, au cours de quatre passages aller et retour, sur une partie centrale du complexe. La vitesse de rotation du mandrin a varié de telle façon que les angles de dépose de la mèche par rapport à l'axe du mandrin sont différents ainsi qu'expliqué sur la figure 4. On observe qu'en début (18) et en fin (19) de parcours, la mèche est enroulée perpendiculairement à l'axe du mandrin venant ainsi comprimer fortement l'enveloppe (17) sur le mandrin (16). Le déshabillage de l'enveloppe composite avant son introduction dans le moule pour polymérisation, lorsque ltopération d'enroulement sera achevée, sera facilitée par introduction d'air sous pression dans le mandrin creux (16), qui viendra décoller celle-ci aux niveaux des trous (a). Venant se superposer à l'enroulement de la mèche (18), une mèche (20) sera enroulée tout le long de la gaine gonflable venant parachever l'enveloppe composite. Cette disposition des mèches superposées en certains endroits de l'enveloppe, et de plus selon des angles différents, est particulièrement intéressante par exemple dans la fabrication d'une raquette de tennis pour faire varier la résistance selon les zones car tous les points du tamis ne sont pas sollicités par des efforts comparables. REVENDICATIONS 1) Procédé pour la réalisation d'un élément souple tubulaire destiné à être moulé selon lequel on enroule des mèches de fibres résistantes (10), (13), (15), (18), (19), (20) imprégnées de résine synthétique durcissable autour d'un boyau souple gonflable (11), (17) caractérisé en ce qu'on enfile le boyau souple (11), (17) sur un mandrin rigide (12), (16) entraîné mécaniquement en rotation et en ce que l'on bobine les mèches de fibres résistantes sur le boyau avant de séparer du mandrin l'élément souple tubulaire ainsi obtenu. 2) Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le mandrin d'enroulement (12), (16) est creux et percé de trous (a) permettant à un gaz sous pression de décoller le boyau (11), (17) plaqué par les mèches (10), (13), (15), (18), (19), (20) enroulées afin de permettre de retirer le mandrin du boyau. 3) Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2 caractérisé en ce que le pas d'enroulement des mèches imprégnées (10), (13), (15), (18), (19), (20) sur le boyau (11), (17) est constant, les spires formées par les mèches de fibre restant jointives. 4) Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2 caractérisé en ce que le pas d'enroulement des mèches imprégnées (10), (13), (15), (18), (19), (20) sur le boyau (11), (17) n'est pas constant, les spires formées par les mèches de fibre restant jointives. 5) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce qu'une bande (14) de fibres jointives orientées selon la génératrice du boyau (11) est pincée entre celui-ci et les enroulements des mèches imprégnées (13) et (15). 6) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce qu'un premier enroulement de mèches de fibres (18), (19) est pratiqué sur une partie seulement du boyau (17). 7) Procédé selon la revendication 6 caractérisé en ce qu'un deuxième enroulement (20) de mèches de fibres est superposé au premier enroulement (18), (19) sur une partie seulement du boyau (17). 8) Élément tubulaire souple caractérisé en ce qu'il est obtenu par le procédé défini à l'une quelconque des revendications 1 à 7. 9) Élément tubulaire rigide de forme rectiligne, coudée ou circulaire caractérisé en ce qu'il est obtenu après moulage gonflage et étuvage de ltélément souple selon la revendication 8. 10) Élément tubulaire rigide selon la revendication 9 caractérisé en ce qu'il constitue un article de sport tel qu'une raquette de tennis, un manche de club de golf, un wishbone de planche à voile, une jante de roue de bicyclette, un tube de cadre ou de fourche de bicyclette ou une canne à pêche.