Brevet FR2684920A1 — publié le 19930618

i Procédé et dispositif de fabrication d'un élément en forme de boucle en matériau composite renforcé par fibres L'invention concerne un procédé fabrication d'un élément en forme de boucle en matériau composite renforcé par fibres, en particu- lier d'une boucle large, de faible épaisseur, en préimprégné, procédé selon lequel on enroule en continu, en présence d'une contrainte de traction, au moins un file de renforcement imprégné d'une matrice sur un outil de bobinage pourvu d'un espace de bobinage adapté à la forme en section droite de l'élément en forme de boucle L'invention concer- ne également un dispositif de bobinage pour la fabrication d'éléments en forme de boucle. Par le document DE-27 36 124-C 3, il est connu de fabriquer un élément en forme de boucle en matériau composite renforcé par fi- bres en enroulant par des moyens mécaniques, autour d'un outil de bo- binage, un fil de renforcement imprégné d'une matrice, lequel fil, lors de la rotation de l'outil de bobinage, est tiré de manière continue avec une force de traction préréglée dans un espace de bobinage de l'outil qui est ouvert radialement vers l'extérieur et dont la forme correspond à la forme en section droite transversale de l'élément en forme de bou- cle terminé Des bobinés en forme de boucle sont certes faciles à réali- ser sur le plan technique, mais ces éléments présentent, notamment lorsque leur largeur est importante, dans la région des parties courbes de l'espace de bobinage ou de la boucle, une orientation irrégulière des spires situées radialement à l'intérieur et, dans la région des parties rectilignes de l'espace de bobinage, un placement plus ou moins forte- ment bombé en direction de l'extérieur au fur et à mesure que la lar- geur du produit augmente; hors, pour tirer au mieux parti des caracté- ristiques supérieures des matériaux composites renforcés par fibres pour des éléments en forme de boucle, il faut une orientation parfaite- ment unidirectionnelle du fil, c'est-à-dire une disposition du fil paral- lèle à l'espace de bobinage, concentrique par rapport au centre de courbure dans les parties courbes de l'espace ou de la boucle et parfai- tement linéaire dans les parties rectilignes dudit espace de bobinage. Par suite de défauts d'orientation de ce type, défauts qui ne peuvent plus être corrigés après coup, par exemple pendant le processus de durcissement, les propriétés mécaniques, notamment la résistance de fatigue dynamique d'un élément en forme de boucle fabriqué de cette manière sont nettement inférieures aux valeurs maximales pouvant être obtenues avec un élément en forme de boucle en matériau composite renforcé par fibres. L'objectif de la présente invention est d'améliorer un procédé et un dispositif de bobinage du type indiqué en introduction de maniè- re à éliminer efficacement les défauts mentionnés d'orientation du fil dans le produit bobiné, et cela même lorsque le produit bobiné a une largeur radiale importante, et à augmenter ainsi considérablement la résistance de la boucle de matériau composite renforcé par fibres. Le problème est résolu selon l'invention par le fait que, au cours du processus de bobinage, on diminue progressivement la ten- sion d'enroulement du fil de renforcement à partir d'une valeur maxi- male en début de bobinage au fur et à mesure que le bobinage progres- se dans la direction radiale à l'intérieur de l'espace de bobinage. Conformément à l'invention, lorsque le bobinage est terminé, on diminue la tension d'enroulement effective du fil de renforcement avant le durcissement du matériau composite renforcé par fibres. Selon une variante du procédé selon l'invention, on retire l'élément en forme de boucle de l'outil de bobinage avant durcissement du matériau renforcé par fibres. Pour réaliser un élément en forme de boucle ouvert d'un côté, on sépare, conformément à l'invention une partie de boucle du produit enroulé, avant durcissement de celui-ci. Conformément à l'invention, pour fabriquer un élément en forme de boucle comportant des parties qui relient entre elles, de ma- nière rectiligne les parties courbes de la boucle, on dépose le fil de renforcement librement, sans être soutenu latéralement par l'outil de bobinage dans la région des parties rectilignes,. Conformément à l'invention, on calibre en épaisseur l'élément en forme de boucle dans la région de ses parties rectilignes lorsque le bobinage est terminé. Selon une variante du procédé selon l'invention, à la fin du bobinage, on déforme les parties rectilignes en direction de l'axe mé- dian de la boucle Eventuellement, on procède à une compression-réac- tion de l'élément en forme de boucle en le calibrant avec précision en épaisseur et en forme. L'invention repose sur la constatation que la disposition irré- gulière du fil dans les spires proches du bord intérieur des parties courbes de l'espace de bobinage est due à un déplacement du fil dans le bain de matrice qui, pour des raisons techniques, est maintenu à l'état visqueux pendant la phase de bobinage, lequel déplacement se produit après enroulement en direction du centre de courbure sous l'action des forces normales qui agissent perpendiculairement à la di- rection locale des forces de traction des spires de fil superposées et dont l'action s'additionne En réduisant selon l'invention progressive- ment la tension d'enroulement à partir d'une valeur maximale en début de bobinage jusqu'à une valeur minimale suffisamment élevée pour permettre un placement parfait des dernières spires, on parvient à ce que, dans chacune des spires critiques susceptibles de se déplacer, d'une part grâce à l'enroulement relativement serré des spires inférieu- res qui forment un support stabilisé empêchant des déplacements ra- diaux et, d'autre part, grâce à la tension comparativement nettement plus faible des spires suivantes, les forces normales exercées par ces dernières et agissant dans le sens d'un déplacement radial restent fai- bles, avec pour conséquence, pour toutes les spires, une orientation du fil adaptée au matériau composite et à la charge à supporter par la boucle, cela même lorsque la largeur de la bande est importante, et ainsi après durcissement de la boucle en matériau composite renforcé par fibres des propriétés mécaniques, notamment une charge dynami- que admissible, sensiblement améliorées Dans le dispositif de bobina- ge selon l'invention, la réduction progressive de la tension du fil est opérée de manière automatique à l'aide d'un circuit de régulation qui règle la tension effective du fil pendant le processus de bobinage en accord avec une valeur de consigne qui diminue en fonction du diamè- tre de bobinage du produit bobiné. Un autre aspect important de l'invention est l'obtention d'une orientation unidirectionnelle du fil dans les parties rectilignes Dans ces parties, la force normale qui résulte de la contrainte de traction et agit perpendiculairement à la direction locale du fil est très faible et tend vers zéro lorsque le fil est rectiligne, de sorte que dans ce cas, le produit bobiné étant limité latéralement par les plaques de l'outil de bobinage maintenues à une distance l'une de l'autre qui correspond à l'épaisseur de la boucle, on obtient, notamment dans le cas de très fai- bles épaisseurs de boucle, la disposition bombée du fil en direction de l'extérieur mentionnée en introduction dans le produit bobiné à la pla- ce de l'orientation unidirectionnelle Selon l'invention, on procède au dépôt du fil pratiquement sans limitation d'épaisseur, l'espace de bobinage étant augmenté par rapport à l'épaisseur de la boucle, les for- ces de blocage qui empêchent une disposition linéaire automatique du fil étant éliminées de manière efficace et une disposition rectiligne pa- rallèle du fil dans le sens de la largeur de l'élément en forme de boucle étant obtenue par des moyens simples Certes l'épaisseur de paroi est augmentée dans les parties rectilignes de l'espace de bobinage, mais cette surépaisseur peut être éliminée sans difficulté à la fin du proces- sus de bobinage tout en conservant l'orientation unidirectionnelle du fil, notamment grâce à une opération de calibrage en épaisseur. Le dispositif de bobinage pour la fabrication d'un élément en forme de boucle en matériau composite renforcé par fibres comporte une forme de bobinage sur laquelle on enroule en continu sous une contrainte de traction, au moins un fil de renforcement dont la matrice est imprégnée, la forme de bobinage étant composée d'un noyau et de plaques de moule qui sont fixées sur le côté dudit noyau et délimitent un espace de bobinage ouvert radialement vers l'extérieur, dont le pro- fil est adapté à la forme en section transversale de l'élément en forme de boucle, ainsi qu'un circuit de régulation de la tension de bobinage qui diminue progressivement la tension du fil de renforcement au cours du processus de bobinage, de manière automatique au fur et à mesure que le bobinage progresse radialement dans l'espace de bobinage. Selon un perfectionnement de l'invention le dispositif com- porte un moyen d'entraînement en rotation de la forme de bobinage et un dispositif de freinage variable réglable du fil Le moment de trac- tion efficace de la forme de bobinage est maintenu à une valeur prédé- terminée constante pendant le processus de bobinage au moyen du cir- cuit de régulation en réglant en conséquence la force de freinage du frein de fil. Selon une variante de l'invention, l'espace de bobinage s'élar- git latéralement dans la région des parties rectilignes, au-delà de l'épaisseur théorique de l'élément en forme de boucle Les parties élar- gies de l'espace de bobinage se raccordent de manière progressive aux parties courbes correspondant à l'épaisseur théorique de l'élément en forme de boucle. Selon une autre caractéristique de l'invention, le noyau de bobinage est pourvu, dans la région des parties rectilignes, de surfaces incurvées vers l'intérieur. Selon un mode de réalisation de l'invention, les plaques de moule de la forme de bobinage se composent chacune d'une joue exté- rieure rigide et d'une coquille intérieure, de faible épaisseur, qui déli- mite l'espace de bobinage et peut être enlevée en même temps que le noyau et le produit bobiné sur celui-ci. Il est recommandé, pour éviter des tensions indésirables du fil dans l'élément en forme de boucle fini, notamment dans les parties de boucle enroulée avec une force de traction élevée situées dans la région du bord intérieur, de réduire la tension d'enroulement du fil de renforcement à la fin du processus de bobinage, avant la solidification du matériau composite renforcé par fibres L'élimination des contrain- tes est obtenue avantageusement en retirant du noyau de bobinage l'élément en forme de boucle avant durcissement du matériau composi- te et/ou, lorsqu'il s'agit de fabriquer un élément en forme de boucle ouvert d'un côté, en séparant une partie de la boucle du produit bobiné avant le durcissement Ceci aboutit dans les deux cas à une relaxation des contraintes dans le fil de renforcement tout en conservant une orientation unidirectionnelle du fil. Le procédé de bobinage selon l'invention convient également à la fabrication d'éléments en forme de boucle comportant des parties concaves cintrées vers l'intérieur, comme c'est le cas par exemple dans la région de l'attache des pales de rotors d'hélicoptère Dans ce cas, on enroule tout d'abord de manière rectiligne les parties concaves de l'élément en forme de boucle et, à la fin du processus de bobinage, on déforme les parties rectilignes en direction de l'axe médian de la bou- cle en fonction de la géométrie souhaitée Le noyau de bobinage peut être utilisé pour cette opération de formage, ce qui réduit les dépenses en outillage A cet effet, les surfaces périphériques qui délimitent l'es- pace de bobinage dans sa partie inférieure présentent, dans la région des parties rectilignes, une forme concave, cintrée en direction de l'in- térieur, conformément à la forme souhaitée de la boucle et sont agen- cées en surface de moulage pour la mise en forme ultérieure des par- ties de boucle Cette forme du noyau favorise du même coup le dépôt du fil dans la région des parties rectilignes. Afin de simplifier le circuit de régulation de la tension d'en- roulement, celui-ci utilise comme grandeur de réglage de la tension de consigne soit le nombre de révolutions de l'outil de bobinage, soit une commande auto-réglable qui fait varier en continu la tension d'enrou- lement du fil de renforcement de manière telle que la forme de bobinage soit entraînée avec un moment de traction ou un couple cons- tant indépendamment de l'importance du bobinage. Pour ne pas perturber le placement du fil dans les parties de l'espace de bobinage élargies dans la direction de l'épaisseur de la boucle, ces parties présentent un raccordement progressif avec les par- ties convexes d'espace de bobinage qui correspondent à l'épaisseur théorique de l'élément en forme de boucle. Les plaques de la forme de bobinage sont constituées respec- tivement de deux parties, à savoir d'une joue extérieure rigide et d'une coquille de moule à paroi de faible épaisseur qui délimite l'espace de bobinage côté intérieur. La phase de bobinage terminée, on retire les joues qui sont ainsi disponibles pour la fabrication d'un autre élément en forme de boucle Le produit bobiné, avec les coquilles de moule et le noyau, maintenu par ces éléments, est entreposé de préférence à l'état refroidi par choc thermique Après avoir retiré les coquilles de moule et le noyau et, le cas échéant, après application par laminage de couche tex- tiles supplémentaires, le produit est travaillé, par exemple par réticu- lation préliminaire adaptée du matériau composite renforcé par fibres et subit une compression-réaction avec formage-calibrage simultané, puis est définitivement durci pour former un ensemble stratifié avec d'autres élément en forme de boucle semblables. Un exemple de réalisation de l'invention est décrit ci-après en liaison avec les dessins qui représentent de manière fortement sim- plifiée: Figure 1, un dispositif de bobinage en vue en perspective, Figure 2, la forme de bobinage en vue en coupe longitudina- le, les rapports en épaisseur étant fortement exagérés pour des raison de clarté, Figure 3, l'élément en forme de boucle avant le début de la compression-réaction, Figure 4, le processus de compression à l'aide d'un outil plongeur, Figure 5, l'élément en forme de boucle après retrait de l'outil plongeur. Le dispositif de bobinage représenté sur les figures 1 et 2 comprend une forme de bobinage 2 qui est entraînée en rotation autour de l'axe A-A (par un dispositif d'entraînement non représenté) La for- me se compose d'un noyau 4 central et de deux plaques de moule 6 qui sont fixées sur ledit noyau avec possibilité de démontage Les plaques de moule 6 sont constituées respectivement d'une joue 8 extérieure ri- gide et d'une coquille de moule 10 intérieure de faible épaisseur pre- nant appui sur la joue et définissent un espace de bobinage 12 de sec- tion en forme de U ouvert radialement vers l'extérieur Le dispositif de bobinage comprend en outre un dispositif d'amenée de fil, globalement repéré 14, avec un circuit de régulation de la traction comportant un frein de fil 16 variable réglable, un capteur 20 qui mesure la contrain- te de traction ou d'enroulement effective dans le fil 18 de renforce- ment, un capteur 22 qui compte le nombre de révolutions de la forme de bobinage 2 et, comme organe de commande, un moyen de réglage 24 qui agit sur le frein de fil 16 de manière telle que la contrainte de traction effective à l'intérieur du fil 18 diminue progressivement d'une valeur maximale en début de bobinage jusqu'à une valeur minimale convenable pour la disposition des spires en fin de bobinage, au fur et à mesure que le nombre de révolutions de la forme de moulage 2 aug- mente Le circuit de régulation peut aussi être agencé de manière telle que le capteur 22 mesure le couple d'entraînement appliqué à la forme de bobinage 2 et, à l'aide du moyen de réglage 24, maintient celui-ci à une valeur constante prédéterminée pendant le processus de bobinage en réglant en conséquence le frein de fil 16. L'espace de bobinage 12 a une forme allongée et sa largeur libre, c'està-dire la distance séparant les parties de moule 10, dans les parties en arc de cercle de l'espace de bobinage correspond à l'épaisseur d de l'élément en forme de boucle 26 à fabriquer (figure 3). Comme le montre la figure 2, dans les parties qui relient entre elles les zones terminales en arc de cercle et dans lesquelles une disposition rectiligne du fil est recherchée, l'espace de bobinage 12 s'élargit symé- triquement dans la direction de l'épaisseur de l'élément en forme de boucle jusqu'à atteindre environ deux fois l'épaisseur d et en outre, le noyau 4 présente, dans la région des parties élargies de l'espace de bo- binage, un contour incurvé radialement en direction de l'intérieur par rapport à la droite joignant les zones terminales, ainsi que le montre le contour du noyau tracé en pointillé sur la figure 1; ainsi, le fil de ren- forcement 18 est déposé librement pratiquement sans être limité par l'espace de bobinage 12 dans les parties élargies de l'espace de bobina- ge, les parties incurvées vers l'intérieur du noyau 4 pouvant servir de surface de formage lors d'une formage éventuel ultérieur des parties rectilignes de l'élément en forme de boucle. Afin de garantir un placement sans problème du fil, le bord extérieur des parties de moule 10 est arrondi et les parties élargies de l'espace de bobinage se raccordent aux parties terminales en arc de cercle de l'espace de bobinage par des parties qui se rétrécissent en cône dans la direction longitudinale de l'espace de bobinage. Lorsque la forme de bobinage 2 tourne, le fil de renforcement 18 préimprégné de la matrice du matériau composite renforcé par fi- bres maintenue à l'état visqueux pendant la phase de bobinage est dé- posé en continu dans l'espace de bobinage avec une tension donnée ré- glée par le circuit de régulation de la tension, la forme du produit bo- biné 28 en boucle ainsi obtenu étant essentiellement déterminée par les surfaces qui délimitent l'espace de bobinage 12 dans les parties termi- nales en arc de cercle Dès que la largeur de boucle b souhaitée est at- teinte, on retire les joues 8 qui sont ainsi disponibles pour un nouveau processus de bobinage, tandis que le produit bobiné 28 refroidi bruta- lement avec les parties de moule 10 et le noyau 4 est stocké, une partie de boucle du produit bobiné 28 étant séparée pour former un élément en forme de boucle ouvert d'un côté. Avec le refroidissement de la matrice du matériau composite, on peut retirer facilement le noyau 4 et les parties de moule 10 sans qu'il soit nécessaire de recourir à un quelconque agent de démoulage. La figure 3 montre un élément en forme de boucle 26 ouvert d'un côté après démoulage, les parties 30 rectilignes qui font suite à la partie de boucle 32 courbée présentant une surépaisseur par rapport à l'épaisseur théorique d du fait du dépôt sans limitation d'épaisseur du fil dans l'espace de bobinage; cette surépaisseur peut être éliminée sans difficulté au cours de la phase de compression qui suit L'élément en forme de boucle 26, le cas échéant associé à d'autres tissus de pré- imprégné non réticulé, par exemple le produit laminé de remplissage 34 présenté à la figure 5 dont les fibres sont croisées est placé dans un outil de formage 36 en deux parties (figure 4) dont la chambre 38 cor- respond à la géométrie finale de l'élément en forme de boucle 26 et est calibré en forme et en épaisseur dans celui-ci sous l'action de la pres- sion et de la chaleur jusqu'à l'obtention d'un taux de pré-réticulation donné du matériau composite, les parties 30 rectilignes pouvant être déformées radialement vers l'intérieur jusqu'à venir en contact l'une de l'autre, comme indiqué sur la figure 5 Après compression-réaction, l'élément en forme de boucle 20 partiellement réticulé avec les cou- ches de préimprégné 34 supplémentaires possède une épaisseur d cons- tante qui peut correspondre à une seule ou à quelques fibres seulement et présente une orientation des fibres unique et il peut être durci en un matériau composite stratifié avec d'autres éléments en forme de boucle similaires pour former un organe monobloc en matériau composite ren- forcé par fibres. il REVENDICATIONS 1 Procédé de fabrication d'un élément en forme de boucle en matériau composite renforcé par fibres, en particulier d'une boucle lar- ge de faible épaisseur en préimprégné, selon lequel on enroule en continu, en présence d'une contrainte de traction, au moins un fil de renforcement imprégné d'une matrice sur un outil de bobinage pourvu d'un espace de bobinage adapté à la forme en section droite de l'élé- ment en forme de boucle, caractérisé par le fait qu'au cours du proces- sus de bobinage, on diminue progressivement la tension d'enroulement du fil de renforcement à partir d'une valeur maximale en début de bobinage au fur et à mesure que l'enroulement progresse dans la direc- tion radiale à l'intérieur de l'espace de bobinage. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que, lorsque le bobinage est terminé, on réduit la tension d'enroulement efficace du fil de renforcement avant durcissement du matériau composite renforcé par fibres. 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que l'on retire l'élément en forme de boucle de l'outil de bobinage avant durcissement du matériau renforcé par fibres. 4 Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé par le fait que, pour former un élément en forme de boucle ouvert d'un côté, on sépare une partie de boucle du produit bobiné, avant durcissement. Procédé selon l'une quelconque des revendications précé- dentes de fabrication d'un élément en forme de boucle, comportant des parties qui relient entre elles, de manière rectiligne les parties courbes de la boucle, caractérisé par le fait que, dans la région des parties rec- tilignes, le fil de renforcement est déposé librement, sans être soutenu latéralement par l'outil de bobinage. 6 Procédé selon la revendication 5, caractérisé par le fait que, à la suite du bobinage, on calibre en épaisseur l'élément en forme de boucle dans la région de ses parties rectilignes. 7 Procédé selon la revendication 5 ou 6, caractérisé par le fait qu'à la fin du bobinage, on déforme les parties rectilignes en di- rection de l'axe médian de la boucle. 8 Procédé selon l'une quelconque des revendication précé- dentes, caractérisé par le fait qu'à la suite du bobinage, on procède à une compression-réaction de l'élément en forme de boucle en le cali- brant avec précision en épaisseur et en forme. 9 Dispositif de bobinage pour la fabrication d'un élément en forme de boucle en matériau composite renforcé par fibres, en particu- lier d'une boucle, large de faible épaisseur, en préimprégné, compor- tant une forme de bobinage sur laquelle on enroule en continu sous u- ne contrainte de traction, au moins un fil de renforcement dont la ma- trice est imprégnée, laquelle forme de bobinage se compose d'un noyau et de plaques de moule qui sont fixées sur le côté dudit noyau et déli- mitent un espace de bobinage ouvert radialement vers l'extérieur dont le profil est adapté à la forme en section transversale de l'élément en forme de boucle, caractérisé par un circuit de régulation ( 16, 20, 22, 24) de la tension d'enroulement associé à la forme de bobinage ( 2), qui diminue progressivement la tension du fil de renforcement ( 18) au cours du processus de bobinage, de manière automatique au fur et à mesure que le bobinage progresse radialement dans l'espace de bobinage ( 12). Dispositif de bobinage selon la revendication 9, compor- tant un moyen d'entraînement en rotation de la forme de bobinage et un dispositif de freinage variable réglable du fil, caractérisé par le fait que le moment de traction efficace de la forme de bobinage ( 2) est maintenu à une valeur prédéterminée constante pendant le processus de bobinage au moyen du circuit de régulation en réglant en consé- quence la force de freinage du frein ( 16) de fil. 11 Dispositif de bobinage pour la fabrication d'un élément en forme de boucle composé de parties de boucle courbes et de parties rectilignes reliant celles-ci, dispositif comportant une forme de bobinage sur laquelle on enroule en continu sous une contrainte de traction, au moins un fil de renforcement dont la matrice est impré- gnée, laquelle forme de bobinage se compose d'un noyau et de plaques de moule qui sont fixées sur le côté dudit noyau et délimitent un espa- ce de bobinage ouvert radialement vers l'extérieur dont le profil est adapté à la forme en section transversale de l'élément en forme de boucle, caractérisé par le fait que l'espace de bobinage ( 12), dans la région des parties rectilignes ( 30) s'élargit latéralement, au-delà de l'épaisseur théorique (d) de l'élément en forme de boucle ( 26) 12 Dispositif de bobinage selon la revendication 11, caracté- risé par le fait que les parties élargies de l'espace de bobinage se rac- cordent de manière progressive aux parties courbes correspondant à l'épaisseur théorique (d) de l'élément en forme de boucle ( 26). 13 Dispositif de bobinage selon la revendication 11 ou 12, caractérisé par le fait que le noyau de bobinage ( 4) est pourvu, dans la région des parties rectilignes ( 30) de surfaces incurvées vers l'inté- rieur. 14 Dispositif de bobinage selon l'une quelconque des reven- dications 9 à 13, caractérisé par le fait que les plaques de moule ( 6) de la forme de bobinage ( 2) se composent chacune d'une joue ( 8) exté- rieure rigide et d'une coquille ( 10) intérieure, de faible épaisseur, qui délimite l'espace de bobinage ( 12) et peut être enlevée en même temps que le noyau ( 4) et le produit ( 28) bobiné sur celui-ci.