Brevet FR2675072A1 — publié le 19921016

Procédé de fabrication de butées lamifiées, notamment pour articulations de tuyères de propulseurs La présente invention concerne la fabrication de butées lamifiées. Des butées ou supports lamifiés sont constitués de couches en matériau rigide, ou armatures, alternant avec des couches en matériau élastiquement déformable, typiquement en caout- chouc ou élastomère, ces dernières étant adhérisées aux armatures. De telles butées sont caractérisées par une résistance élevée aux efforts de compression, perpendiculairement aux couches, et par une capacité relativement éLevée de déformation élastique en cisaille- ment, parallèlement aux couches. Un domaine particulier d'application de l'invention est celui des butées sphériques lamifiées qui sont utilisées pour former des articulations entre des pièces susceptibles de pivoter l'une par rapport à l'autre autour du centre de l'articulation, avec un débattement angulaire limité Dans les butées sphériques lamifiées, les armatures et couches de caoutchouc ont des surfaces en forme d'anneaux de sphères. A titre d'exemples d'utilisation de butées sphériques lamifiées, peuvent être citées des articulations reliant une canalisation montante à une tête de puits sous-marin, ou des articulations reliant une tuyère à un corps de propulseur. Dans le cas par exemple de butées lamifiées de tuyère, il a été proposé de remplacer les armatures traditionnellement métal- liques par des armatures en matériau composite qui permettent un gain de masse important tout en offrant une très bonne tenue méca- nique dans les conditions d'utilisation des tuyères Le matériau composite constituant les armatures est notamment un carbone-époxy, c'est-à-dire un matériau constitué par un renfort en fibres de carbone et une matrice en résine époxy. Un procédé actuellement utilisé par le déposant de la présente demande de brevet, pour former des armatures composites sphériques en carbone- époxy, consiste à draper et mouler des strates de tissu en carbone préimprégné par la résine époxy Plus précisément, le procédé comprend les étapes suivantes: découpe, dans un tissu de carbone préimprégné 1, de strates en forme de secteurs annulaires 2 ayant une forme approchée de développée de tronc de cône (figure 1), drapage des strates de tissu préimprégné suivant un motif en rosette sur un moule mâle 3 ayant une surface en forme d'anneau sphérique correspondant à la surface interne de l'armature sphérique à réaliser (figures 2 et 3), compactage des strates sous vide au moyen d'une mem- brane, mise en place d'un moule femelle 4 ayant une surface en forme d'anneau sphérique correspondant à la surface externe de l'armature à réaliser (figure 4), polymérisation sous presse de l'ensemble, et démoulage de l'armature. Le procédé ci-dessus est très délicat à mettre en oeuvre; il comprend des étapes qui doivent être réalisées manuel- lement et demandent un certain savoir-faire. En outre, la mise en place du moule femelle peut pro- voquer un glissement des strates, ce qui entraîne alors la forma- tion de plis (défauts) et modifie la répartition du renfort entre le petit diamètre et le grand diamètre de l'armature. De plus, après démoulage, la libération de contraintes internes peut se traduire par un vrillage de l'armature qui demande un contrôLe minutieux et difficile pour être détecté. De plus encore, ce procédé permet difficilement d'obtenir des armatures d'épaisseur variable, alors que cela peut être souhaitable dans certains cas, en particulier pour augmenter la tenue mécanique de la butée au voisinage du petit diamètre, là o s'exercent les efforts les plus importants. Aussi, la présente invention a-t-elle pour but de fournir un procédé pour réaliser des butées lamifiées en évitant les inconvénients précités, c'est-à-dire un procédé plus simple à mettre en oeuvre, évitant la création de défauts dans les armatures et permettant la réalisation d'armatures d'épaisseur variable. Ce but est atteint grâce à un procédé selon lequel, conformément à L'invention, chaque armature composite de la butée disposée sur une couche en caoutchouc ou élastomère est formée par bobinage d'un fil préimprégné par une résine directement sur la couche de caoutchouc ou élastomère sous-jacente. Avantageusement, La butée est fabriquée en alternant des couches formées par bobinage d'un fil préimprégné et des couches de caoutchouc ou élastomère non vulcanisé, puis en réalisant simulta- nément La polymérisation de la résine et la vulcanisation du caout- chouc ou élastomère. Le procédé conforme à l'invention apporte des avantages significatifs. En premier, il permet une simplification des outillages. Ensuite, le nombre d'opérations est réduit, ainsi que le nombre d'interventions manuel Les, d'o une diminution substantielle du coût de fabrication. De plus, par l'utilisation de la technique de bobinage, la répartition du renfort fibreux au sein des armatures peut être facilement contrôlée, évitant la présence de zones dépourvues de renfort. De plus encore, le bobinage implique une tension des fibres du renfort, lesquelles travaillent donc dans de meilleures conditions Les armatures bobinées présentent par conséquent, à épaisseur égale, des performances supérieures à celles des arma- tures drapées. Enfin, et ce qui n'est pas le moindre avantage, le bobi- nage permet très facilement de moduler l'épaisseur des armatures, notamment pour tenir compte d'efforts plus importants s'exerçant sur certaines parties de la butée. Un mode particulier de mise en oeuvre du procédé selon l'invention sera maintenant décrit à titre indicatif, mais non limitatif. Sur les dessins annexés, les figures 1 à 4, déjà décrites, illustrent des étapes d'un procédé antérieur de fabrication d'armatures composites, la figure 3 étant une vue en coupe suivant le plan III de la figure 2; la figure 5 est une vue partielle en coupe d'une butée d'articulation sphérique pour une tuyère de propulseur; les figures 6 à 8 illustrent schématiquement des étapes d'un procédé selon l'invention pour la fabrication d'une butée d'articulation sphérique du type de celle de la figure 5; et la figure 9 illustre schématiquement un autre mode de réalisation du procédé selon l'invention. Dans un propulseur, notamment un gros propulseur à propergol solide, la tuyère est reliée au corps de propulseur de manière à pouvoir être orientée par pivotement autour d'un centre de rotation, avec un débattement angulaire relativement limité. A cet effet, il est connu de relier la tuyère 10 (figure ) au corps 12 du propulseur au moyen d'une articulation ou butée sphérique lamifiée 14 disposée sensiblement au niveau du col de la tuyère La butée lamifiée 14 est constituée de couches en matériau rigide, ou armatures 16 intercalées avec des couches de caoutchouc ou élastomère 18 auxquelles les armatures 16 sont adhérisées. Chaque couche du lamifié s'étend suivant un anneau de sphère dont le centre O est le centre de pivotement de l'articulation et de diamètre croissant depuis son extrémité la plus proche de l'axe de la tuyère jusqu'à son extrémité la plus éloignée de cet axe Dans l'exemple illustré, l'épaisseur des armatures 18 est plus grande dans la partie située à proximité du petit diamètre que dans la partie située du côté du grand diamètre, ceci afin de conférer à la butée une meilleure tenue dans sa partie subissant les efforts les plus importants. Conformément à l'invention, chaque armature 16 est réalisée en matériau composite obtenu par bobinage d'un fil imprégné directement sur la couche en caoutchouc ou élastomère sous-jacente. Le fil est formé à partir d'une mèche constituée de fila- ments parallèles continus présentant de bonnes propriétés méca- niques et, dans l'application envisagée, capables de supporter des températures relativement élevées, par exemple des filaments formés de fibres de carbone. Le fi L est imprégné avec une résine donnant, après poly- mérisation, la matrice du matériau composite constituant L'arma- ture Il s'agit, par exemp Le, d'une résine époxy. Comme Le montre La figure 6, qui est une vue en partie en coupe, la butée Lamifiée est réalisée sur un mandrin sphérique 22 monté sur un arbre d'entraînement rotatif 24 La surface externe du mandrin a une forme correspondant à cel Le de La surface interne de La butée à réaliser Dans cet exemple, deux butées sont réalisées simultanément de part et d'autre du p Lan médian P passant par le grand diamètre du mandrin 22. Sur le mandrin 22 sont formées successivement et alter- nativement des couches 26 obtenues par bobinage du fi L 20 inprégné de résine et des couches 28 obtenues par drapage d'une feuille de caoutchouc ou élastomère non vulcanisé Le nombre et l'épaisseur des couches 26 et 28 sont déterminés conformément au nombre et à l'épaisseur des armatures 16 et couches de caoutchouc ou élastomère 18 dans les butées à fabriquer. La première couche 26 est bobinée directement sur le man- drin 22 tandis que Les suivantes sont bobinées directement sur une couche 28 sous-jacente. Pour chaque couche 26, Le fil 20 est bobiné pour former une couche d'épaisseur croissante entre Le grand diamètre (partie médiane du mandrin La plus éloignée de l'axe de rotation) et le petit diamètre (extrémités du mandrin les plus proches de l'axe de rotation) On notera que la technique de bobinage permet naturelle- ment une telle variation d'épaisseur et est donc de ce point de vue parfaitement avantageuse Des chignons de bobinage 26 a sont formés le Long des bords d'extrémités des couches 26. L'ensemb Le formé par le mandrin 22 et les couches alternées 26 et 28 est placé en étuve pour polymérisation de La résine d'imprégnation du fil de bobinage et vulcanisation du caout- chouc ou éLastomère des couches 28 La polymérisation et la vulca- nisation sont ainsi réalisées simultanément. Après polymérisation et vulcanisation, Le mandrin 22 est par exemple monté sur un tour o sont éliminés les chignons de bobinage 26 a et usinées, dans la même opération, les extrémités situées du côté du petit diamètre (figure 7). Finalement, l'ensemble formé par les couches 26 et 28 est coupé le long du plan P, ce qui permet de libérer deux butées 141 et 142 fabriquées simultanément (figure 8). Dans l'exemple décrit ci-dessus, les deux butée 141 et 142 sont identiques Il est à l'évidence possible de former simultanément deux butées différentes en utilisant un mandrin formé de deux parties hémisphériques séparées par le plan P et non symé- triques l'une de l'autre par rapport à ce plan. La réalisation successive des couches formées par bobi- nage d'un fil imprégné de résine et par drapage d'une feuille de caoutchouc ou élastomère non vulcanisé, suivie de la réalisation simultanée de la polymérisation de la résine et de la vulcanisation du caoutchouc ou élastomère permet une simplification considérable du processus de fabrication d'une butée lamifiée. Ce procédé permet aussi de réaliser en une seule pièce des butées qui présentent, entre leurs extrémités axiales, un dia- mètre externe (ou interne) supérieur aux diamètres à ces extrémi- tés En effet, dans un tel cas, la réalisation de la butée ne serait pas possible par assemblage de couches de caoutchouc ou élastomère et d'armatures rigides fabriquées séparément et indivi- duellement. La fabrication d'une telle butée est effectuée de la même manière que décrit précédemment, en formant successivement et alternativement, sur une pièce interne 32, des couches 36 obtenues par bobinage d'un fil imprégné de résine et des couches 38 obtenues par drapage d'une feuille de caoutchouc ou élastomère non vulca- nisé (figure 9) La pièce interne 32 constitue un mandrin entraîné en rotation par un axe 34 Les couches 36 peuvent être bobinées avec une épaisseur évolutive Des chignons de bobinage 36 a sont formés sur les bords des couches 36. Lorsque les couches 36 et 38 ont été formées en nombre voulu, la polymérisation de la résine d'imprégnation et la vulcani- sation du caoutchouc ou élastomère sont effectuées simultanément. Les chignons de bobinage sont ensuite éliminés par usinage des extrémités axiales de la butée L'ensemble, avec la pièce interne 32 peut ensuite être monté. Exemple A titre d'exemple, le procédé conforme à l'invention, dans sa variante illustrée par les figures 6 à 8, a été mis en oeuvre de la façon suivante. On utilise un mandrin métallique 22 ayant un diamètre extérieur égal au diamètre intérieur de l'armature. Les couches 26 sont bobinées au moyen d'un fil de carbone imprégné par une résine époxy de la classe 180 C de type araldite. Le fil de carbone est un fil haute résistance commercialisé par la Société japonaise Toray sous la référence T 300 Les couches 26 sont réalisées avec une épaisseur qui varie d'une valeur environ égale à 3 mm, aux extrémités à une valeur environ égale à 2 mm, dans la partie médiane. Les couches 28 sont des feuilles d'élastomère à base de caoutchouc naturel ayant une épaisseur moyenne environ égale à 2 mm. Après formation des couches 26 et 28, au nombre total de 13, la polymérisation de la résine époxy et la vulcanisation de l'élastomère sont réalisées simultanément en étuve à une température d'environ 1500 C. Dans les butées obtenues après découpe suivant le plan P, on observe une parfaite adhérisation des armatures aux couches d'élastomère. Dans le cadre d'une application à une butée lamifiée de tuyère, l'épaisseur moyenne des armatures est habituellement com- prise entre 2 et 4 mm et l'épaisseur moyenne des couches de caout- chouc ou élastomère est comprise entre 1 et 3 mm Le nombre total de couches (armatures et couches en caoutchouc ou élastomère) est habituellement de 9 à 15. Bien que l'on ait envisagé plus haut le cas de butées lamifiées sphériques, l'invention est à l'évidence applicable à des butées lamifiées ayant des formes autres que sphériques, par exemple elliptiques. REVENDICATIONS 1 Procédé de fabrication d'une butée lamifiée, notamment pour articulation de tuyère de propulseur, constituée d'armatures rigides en matériau composite ( 16) alternant avec des couches ( 18) en caoutchouc ou élastomère, caractérisé en ce que chaque armature disposée sur une couche en caoutchouc ou élastomère est formée par bobinage d'un fil ( 20) préimprégné par une résine directement sur la couche de caoutchouc ou élastomère sous-jacente. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la butée est fabriquée en alternant des couches ( 26; 36) formées par bobinage d'un fil préimprégné de résine et des couches ( 28; 38) de caoutchouc ou élastomère non vulcanisé, puis en réali- sant simultanément la polymérisation de la résine et la vu Lcanisa- tion du caoutchouc ou élastomère. 3 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le bobinage du fil préimprégné ( 20) est réalisé de manière à former des armatures ( 16) d'épaisseur variable.