Brevet FR2697035A1 — publié le 19940422

PROCEDE DE DEPOSE FILAMENTAIRE SUR UNE SURFACE AXISYMETRIQUE CONVEXE, DISPOSITIF POUR SA MISE EN OEUVRE ET STRUCTURE AINSI OBTENUE La présente invention a trait à la réalisation de structures bombées constituées d'une enveloppe, notamment hémisphérique, revêtue extérieurement de fibres résistantes enrobées ou non d'un liant durcissable. L'invention s'applique plus précisément, bien que non exclusivement, à la réalisation de récipients de stockage de fluide sous pression, en particulier des récipients dits "bouteilles" de stockage de gaz, tel que de l'air, de l'oxygène, de l'azote, du gaz carbonique, utilisés dans différents secteurs industriels Ce type de récipient comprend une virole cylindrique centrale prolongée à chaque extrémité d'un fond bombé, généralement hémisphérique, l'ensemble étant fretté à l'aide de fibres résistantes enrobées d'un liant durcissable. L'un des fonds comporte en son centre un trou de passage, en sorte que le frettage des extrémités de la bouteille est réalisé en pratiquant une réserve sur la partie sommitale des deux hémisphères des fonds. La technique actuelle de dépose filamentaire utilisée pour la réalisation d'une telle structure consiste en un simple bobinage à motif élémentaire au cours duquel le fil à déposer passe une seule fois sur la calotte hémisphérique, le passage étant répété avec un léger décalage angulaire autant de fois que la couche comporte de fils et sans interruption. L'inconvénient de cette technique est l'accumulation à la périphérie du trou de l'un des fonds et de la zone morte 2 correspondante de l'autre fond, du fil qui forme ainsi un "bourrelet", ce qui ne donne pas une épaisseur constante au frettage de ces parties d'extrémité des bouteilles. L'invention vise à pallier ces inconvénients en proposant une nouvelle technique de dépose filamentaire sur des surfaces bombées et particulièrement des surfaces sphériques, en vue de réaliser des structures du type bouteille au sens défini plus haut, ou, d'une manière générale, toute structure constituée d'une pièce dont la surface externe présente une géométrie10 axisymétrique convexe et comporte, dans la zone de l'axe de symétrie, un trou ou zone morte centré sur ledit axe, qui ne doit pas être revêtu Une telle structure peut constituer par exemple une pièce devant résister à des contraintes thermo- mécaniques à des fins de protection thermique de corps15 rentrant dans l'atmosphère, ou une partie d'une structure plus importante. L'invention a pour objet un procédé de dépose filamentaire sur une surface axisymétrique convexe, en particulier hémisphérique, munie d'un trou ou zone morte circulaire,20 centré sur le pôle, caractérisé en ce que: on définit un cercle, dit de référence, parallèle au bord externe de la surface et situé à une distance déterminée du plan dudit bord, on définit sur ledit cercle de référence une succession régulière de points, on présente le fil, ou ensemble de fils, suivant une première trajectoire sensiblement géodésique, sur ladite surface, à partir dudit bord externe jusqu'en un premier point dudit cercle de référence, dénommé point de départ, on dépose le fil, à partir dudit point de départ, jusqu'en un deuxième point dudit cercle de référence, dénommé point d'arrivée, suivant une deuxième trajectoire sensiblement géodésique, on dépose le fil au delà dudit point d'arrivée jusqu'audit bord externe, suivant une troisième trajectoire sensiblement géodésique, on reproduit le même processus de dépose en passant par un deuxième point de départ et par un deuxième point d'arrivée, tous deux sur ledit cercle, on répète une telle dépose au maximum autant de fois qu'il est possible de le faire sans croiser, au moins dans la zone proche dudit trou ou zone morte, les fils déposés, en sorte de déposer un ensemble de fils appelés nappe, puis, on répète un même processus de dépose de nappe par décalage successif jusqu'à ce que chaque point dudit cercle de référence soit, à la fois et une seule fois, un point de départ et un point d'arrivée, en sorte d'obtenir une couche et, éventuellement, on recommence le processus ci-dessus jusqu'à l'obtention de l'épaisseur désirée. Un tel procédé permet d'effectuer sur la surface axisymétrique convexe une dépose géodésique des fils, avec une épaisseur sensiblement constante depuis le trou ou zone morte jusqu'au voisinage du cercle d'inflexion de la trajectoire des fils, défini par lesdits points de départ et d'arrivée. Au cours de la dépose d'une nappe, au sens défini plus haut, les fils peuvent être déposés tous d'un même côté du trou ou de la zone morte, ou de part et d'autre de ce dernier, cette seconde manière permettant une meilleure répartition des surépaisseurs dues au croisement des fils des nappes superposées. On peut également faire varier le motif de dépose des nappes constituant une couche au sens défini plus haut, d'une couche à une autre, afin d'obtenir un profil d'épaisseur évolutif. Entre deux couches superposées, ou entre chaque couche, on peut également effectuer une dépose de fil par bobinage simple au sens défini dans le préambule. De même, la dépose selon l'invention peut être complétée par un piquage introduisant des fils suivant une troisième direction orthogonale localement aux directions de dépose selon l'invention.35 L'invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus, caractérisé en ce qu'il est constitué d'une série d'aiguilles ou analogues, implantées en saillie sur la surface à recouvrir, le long dudit cercle de référence, de préférence à égale distance les unes des autres,40 et définissant lesdits points de départ et d'arrivée entre 4 lesquels le fil, ou l'ensemble de fils, est, à l'aide d'une machine de bobinage de type connu, déposé géodésiquement. L'invention a enfin pour objet toute structure revêtue conformément au procédé. D'autres caractéristiques et avantages de la technique de l'invention ressortiront de la description qui va suivre d'un mode de mise en oeuvre du procédé défini ci-dessus, description donnée à titre d'exemple uniquement et en référence aux dessins annexés sur lesquels:10 Figure 1 est une vue en bout d'une surface hémisphérique revêtue d'une première nappe déposée conformément à un mode de mise en oeuvre du procédé de l'invention; Figure 2 est une vue en perspective de la surface de la figure 1; Figure 3 représente la surface de la figure 1 revêtue de trois nappes, et Figure 4 est une vue en perspective de la surface de la figure 3. Sur les figures 1 à 4, on a représenté en 1 une surface hémisphérique avec son bord externe matérialisé par l'équateur 2, son pôle 3, un trou ou zone morte circulaire 4 centré sur le pôle 3 et qui ne doit pas être revêtu, l'axe 5 passant par le pôle 3 et le centre 6 de ladite surface hémisphérique 1.25 Un fil constitué de plusieurs filaments continus et groupés est déposé sur la surface hémisphérique 1 par passages successifs. On désigne par Fi le premier passage, le fil étant présenté sur l'équateur 2 suivant sensiblement une génératrice du cylindre prolongeant la demi-sphère 1. Le fil F 1, conformément au procédé de l'invention, est déposé sur la surface 1 sensiblement suivant un méridien (tronçon Fld) jusqu'en un point Nid, dit premier point de départ appartenant à la nappe N 01, se trouvant sur un cercle R, dit cercle de référence, défini par l'intersection de la surface 1 avec un plan parallèle à l'équateur 2 et situé à une distance d du plan équatorial. A partir du point Nld le fil F 1 est déposé (tronçon Flg) sur la calotte délimitée par le cercle R, le long d'un arc de grand cercle 7 de la surface 1, jusqu'en un point d'arrivée Nia du cercle R, qui est déterminé en sorte que ledit tronçon Fig, la référence g indiquant qu'il s'agit d'une dépose géodésique, soit tangent au trou ou cercle 4, ou à très faible distance de celui-ci. 5 Entre le cercle R et l'équateur 2, le fil Fl est déposé sensiblement suivant un méridien de la surface 1 (tronçon Fla) puis, au-delà de l'équateur 2, le fil Fi est sensiblement parallèle à l'axe 5. Au passage suivant F 2 du fil, celui-ci est déposé suivant sensiblement un méridien (tronçon F 2 d), entre l'équateur 2 et le cercle R, jusqu'en un point N 2 d de ce dernier, situé à proximité du point Nid. A partir du point N 2 d, le fil F 2 est déposé (tronçon F 2 g) sur la calotte délimitée par le cercle R, le long d'un arc de grand cercle 8 de la surface, jusqu'en un point d'arrivée N 2 a du cercle R. Au delà du point N 2 a, le fil est déposé suivant sensiblement un méridien (tronçon F 2 a) jusqu'à l'équateur 2 et, ensuite, le fil F 2 est sensiblement parallèle à l'axe 5.20 Il est à noter que dans le mode de mise en oeuvre illustré par les figures 1 à 4, le point d'arrivée N 2 a choisi pour le fil F 2 est, par rapport à un plan contenant l'axe 5 et le tronçon F 2 d, du côté opposé au point N 2 a, en sorte que le tronçon F 2 g contourne le trou ou cercle 4 par l'autre côté par25 rapport au tronçon Flg. Par ailleurs, l'emplacement du point N 2 a sur le cercle R est choisi en sorte d'éloigner sensiblement le tronçon de fil F 2 g du trou ou cercle 4. On pourrait bien entendu choisir un autre point par exemple pour rapprocher le tronçon F 2 g du trou ou cercle 4. Au troisième passage du fil (fil F 3), celui-ci est déposé, comme aux autres passages, suivant sensiblement un méridien (F 3 d), jusqu'en un point de départ N 3 d sur le cercle R. Au-delà du cercle R, le fil est déposé suivant un arc de grand cercle 9 (tronçon F 3 g) jusqu'en un point N 3 a du cercle R, situé à une distance du point Nia égale à celle entre les points Nid et N 3 d, et du côté du cercle R ne faisant pas se croiser les tronçons Flg et F 3 g. Au-delà du point N 3 a, le fil suit sensiblement un méridien (tronçon F 3 a) comme pour les passages précédents. Dans le mode de mise en oeuvre illustré par les figures 1 à 4, la dépose du tronçon F 3 g est symétrique de celle du tronçon F 2 g par rapport à un plan contenant l'axe 5 et passant à égale distance des points N 2 d et N 3 d. Enfin, au quatrième passage (fil F 4), on suit le même processus avec un point de départ N 4 d et un point d'arrivée N 4 a sur le cercle R, le tronçon de dépose géodésique F 4 g étant disposé symétriquement au tronçon Fig par rapport au plan défini ci-dessus.10 Les tronçons Flg à F 4 g constituent une nappe, c'est à dire un ensemble de fils qu'il est possible de déposer sur la calotte sphérique délimitée par le cercle R, sans croiser les fils, au moins dans la zone de la calotte la plus proche du trou ou cercle 4 Si, dans l'illustration donnée sur les15 figures les tronçons Fig à F 4 g se croisent en 10, c'est dans une bande de la calotte proche du cercle R. De préférence, une nappe regroupera le maximum de fils que l'on peut déposer géodésiquement sans croisement dans la zone proche du trou ou cercle 4.20 Les points de départ Nid à N 4 d, ainsi que les points d'arrivée Nia à N 4 a, font partie d'une série de points régulièrement distribués le long du cercle R et dont le nombre est, de préférence, un multiple du nombre de fils par nappe. Dans le mode de réalisation illustré, le cercle R est divisé en soixante douze points. En considérant qu'une couche sera obtenue lorsque chacun des soixante douze points (Nid, N 2 d, N 3 d, N 4 d, etc) aura été, successivement et jusqu'au retour au point d'origine Nid, l'objet d'un départ de dépose sur la calotte, il faudra donc déposer dix-huit nappes telles que la nappe Ni regroupant les tronçons Flg à F 4 g. On a représenté sur la figure 3 les neuf premières nappes NI à N 9, identifiées par leurs points de départ sur le cercle R, lesquels couvrent la moitié du cercle R Il est à noter que35 pour les nappes N 08 et N 09 certains des points de départ vont se confondre avec des points d'arrivée des nappes N 01 et N 02. C'est le cas, par exemple, des points de départ N 31 d, N 33 d et N 35 d qui sont confondus respectivement avec les points d'arrivée N 3 a, Nia et N 7 a. En ces points, à la fois de départ et d'arrivée, les deux fils des tronçons déposés sur la calotte sont disposés, l'un, d'un côté du trou ou cercle 4 et, l'autre, de l'autre côté, comme illustré par exemple sur la figure 3 par les tronçons F 3 g, F 31 g et Flg, F 33 g. De même, certains des fils déposés sur la calotte à partir de points de départ des nappes N 8,N 9, atteignent des points d'arrivée qui sont confondus avec certains des points Nld à N 8 d, les fils en question étant, en ces points, également10 disposés en opposition avec les tronçons de fils Flg à F 8 g par rapport au trou ou cercle 4. Lorsque les nappes Nl Q à NI 8 auront été déposées, en sorte de constituer une couche au sens défini plus haut, tous les points susdits du cercle R seront, à la fois et une seule15 fois, point de départ et point d'arrivée. Les nappes successives Ni à N 18 sont déposées de préférence suivant le même motif, les fils étant, pour chaque nappe, placés de part et d'autre du trou ou cercle 4, comme illustré par exemple par les tronçons F 5 g, F 7 g et F 6 g, F 8 g20 pour la nappe N 2 et par les tronçons F 9 g, Fllg et Fl Og, F 12 g pour la nappe N 3. Une telle couche ne présente pas de bourrelet annulaire à proximité du trou ou cercle 4, car le mode de dépose permet de répartir, sur toute l'étendue de la calotte sphérique25 recouverte, les croisements 10 des fils, comme on peut l'observer sur la figure 3. Ainsi, non seulement la dépose des fils sur la calotte est géodésique, ce qui assure une bonne stabilité des fils, mais les croisements de fils sont régulièrement distribués sur une30 large surface, conférant de la sorte à la couche une épaisseur bien plus régulière. L'épaisseur désirée du revêtement, au droit de la surface sphérique 1, est obtenue en réalisant le nombre de couches approprié.35 Au lieu, pour chaque nappe de quatre fils (Flg à F 4 g; F 5 g à F 8 g; F 9 g à F 12 g), d'effectuer une dépose alternée de deux fils d'un côté du trou 4 et deux de l'autre, on pourrait déposer les quatre fils d'un même côté du trou ou cercle 4, toujours suivant des arcs de grand cercle. La dépose alternée telle qu'illustrée permet d'obtenir une couche plus épaisse et une structure f ibrée plus régulière, mais moins dense, car il y a plus de croisements de fils qu'avec une dépose d'un même côté du trou ou cercle 4. 5 Par ailleurs, dans une même nappe, on peut ne pas respecter l'ordre croissant des points définis sur le cercle R et déposer, par exemple, les fils de la nappe Ni en commençant par n'importe lequel des quatre points de départ Nld à N 4 d, puis, au deuxième passage, en passant par n'importe lequel des10 trois points de départ restants et ainsi de suite. Avantageusement, on réalisera les diverses couches avec un décalage angulaire mutuel afin d'homogénéiser la structure fibrée. Ce décalage mutuel est par exemple obtenu en prenant comme premier point de départ de la première nappe de la seconde couche, non plus le point Nld des figures 1 à 4, mais le point immédiatement suivant N 2 d Ceci évite de superposer les nappes de même rang, d'une couche à la suivante. Ce décalage peut aussi être obtenu en inversant le sens de dépose des nappes de la couche suivante, c'est-à-dire en partant dans le sens anti-horaire sur le cercle R, alors que dans le mode illustré par les figures 1 à 4, la dépose des nappe successives Ni à N 18 se fait dans le sens horaire le long dudit cercle R.25 Le motif de dépose des nappes de chaque couche peut éventuellement changer en vue d'obtenir un profil d'épaisseur désiré. En outre, un bobinage classique inter-couche peut être réalisé, de même qu'il est possible d'effectuer par piquage, par exemple conformément aux enseignements du document FR- 2.612 950 au nom de la Demanderesse, l'insertion d'un fil dans l'épaisseur (troisième direction) de la structure fibrée. La distance d entre les plans du cercle R et de l'équateur 2 peut varier Elle ne doit cependant pas être trop faible, car ceci aurait comme conséquence une tendance à la concentration des croisements de fils dans un bande annulaire proche du cercle R La distance d ne doit pas non plus être trop grande, car ceci conduirait à accroître la zone annulaire, entre le cercle R et l'équateur 2, recouverte de40 fils déposés suivant des méridiens. Le changement de direction ou d'inflexion de la trajectoire des fils aux niveaux des points de départ et d'arrivée sur le cercle R est réalisé par exemple à l'aide d'épingles implantées radialement dans la surface 1, à hauteur 5 des points Nld, N 2 d; Nla, N 2 a. De telles épingles permettent facilement la dépose d'un fil, d'un côté ou de l'autre de chaque aiguille, pour donner au fil la direction désirée, d'un côté ou de l'autre du trou ou cercle 4.10 Une telle technique d'implantation d'aiguilles et de bobinage à partir d'un tel jeu d'aiguilles est bien connue en soi et illustrée par exemple par le document FR 2 612 950 cité plus haut. Après mise en place des fils, les épingles sont retirées, ou bien laissées en place On peut aussi utiliser des épingles fusibles. Dans l'exemple de dépose donné ci-dessus, on a défini, pour faciliter la compréhension, des points de départ et des points d'arrivée sur ledit cercle de référence R, mais il est20 évident que l'on aurait tout aussi bien pu procéder à une dépose inverse, c'est-à-dire en partant des points dénommés plus haut points d'arrivée sur le cercle R et éloignés les uns des autres, pour atteindre les points dénommés plus haut points de départ et disposés à la suite.25 Le procédé de l'invention permet de fabriquer des "bouteilles" au sens défini plus haut, comprenant une virole centrale et deux fonds hémisphériques comportant chacun une réserve de revêtement, circulaire, centrée sur le pôle et correspondant, pour l'un des fonds, à l'orifice de la30 bouteille. Les deux fonds présentent une épaisseur sensiblement constante le long d'un méridien, sans bourrelet sur le pourtour de la réserve centrale. La virole et les deux fonds sont avantageusement bobinés en même temps, le fil déposé sur les fonds, conformément à l'invention, définissant une ou plusieurs couches de fils déposés longitudinalement sur la virole, en sorte de constituer un tramage qui est ensuite recouvert d'un bobinage circonférenciel, à partir du même fil, uniquement au droit de40 la virole. D'une manière générale, le procédé de l'invention permet de réaliser le revêtement de toute surface axisymétrique convexe, quelles que soient la nature et la destination de l'objet ainsi revêtu, qu'il forme un tout en lui-même ou soit 5 une partie d'un objet plus important. Enfin, l'invention n'est évidemment pas limitée aux modes de réalisation représentés et décrits ci-dessus mais en couvre au contraire toutes les variantes, notamment en ce qui concerne le nombre de fils déposés par nappe, le mode de10 dépose, alterné ou non, des fils d'une même nappe, le nombre de nappes pour former une couche de revêtement au sens défini plus haut, le nombre et le motif de dépose des nappes constituant une couche, ainsi que la nature des moyens aptes à infléchir, au niveau du cercle de référence R, la direction de15 dépose des fils. Le fil utilisé, constitué de filaments longitudinaux en nombre plus ou moins important, peut être du fil de verre, de carbone, de "Kevlar", d'alumine, de bore, etc, pré- imprégné ou non.20 Il est à noter, par ailleurs, que chaque fil peut être constitué par un ensemble de fils, sous forme de ruban ou bande. La structure fibrée ainsi déposée peut être ensuite imprégnée, densifiée, etc 1 l REVENDICATIONS R E V E N D I C A T I O N S 1 Procédé de dépose filamentaire sur une surface axisymétrique convexe, en particulier hémisphérique ( 1), munie d'un trou ou zone morte circulaire ( 4), centré sur le pôle ( 3), caractérisé en ce que: on définit un cercle (R), dit de référence, parallèle au bord externe ( 2) de la surface et situé à une distance déterminée (d) du plan dudit bord, on définit sur ledit cercle de référence (R) une succession régulière de points, on présente le fil, ou ensemble de fils, suivant une première trajectoire sensiblement géodésique (Fld), sur ladite surface, à partir dudit bord externe ( 2) jusqu'en un premier point dudit cercle de référence (R), dénommé point de départ (Nld), on dépose le fil, à partir dudit point de départ (Nld), jusqu'en un deuxième point dudit cercle de référence (R), dénommé point d'arrivée (Nla), suivant une deuxième trajectoire sensiblement géodésique (Flg), on dépose le fil au delà dudit point d'arrivée (Nla), jusqu'audit bord externe ( 2), suivant une troisième trajectoire sensiblement géodésique (Fla), on reproduit le même processus de dépose en passant par un deuxième point de départ (N 2 d) sur ledit cercle (R) et par un deuxième point d'arrivée (N 2 a), on répète une telle dépose au maximum autant de fois qu'il est possible de le faire sans croiser, au moins dans la zone proche dudit trou ou zone morte ( 4), les fils déposés (Flg à F 4 g), en sorte de déposer un ensemble de fils appelés nappe (N 1), puis, on répète un même processus de dépose de nappe par décalage successif jusqu'à ce que chaque point dudit cercle de référence (R) soit, à la fois et une seule fois, un point de départ et un point d'arrivée, en sorte d'obtenir une couche et, éventuellement, on recommence le processus ci-dessus jusqu'à l'obtention de l'épaisseur désirée. 2 Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'au cours de la dépose d'une nappe (NI), les fils (Flg à F 4 g) sont disposés de part et d'autre du trou ou zone morte ( 4). 3 Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'au cours de la dépose d'une nappe, les fils sont disposés d'un même côté du trou ou zone morte ( 4). 4 Procédé suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les points de départ de chaque nappe (Ni à N 18) d'une couche sont pris dans un groupe de points successifs le long dudit cercle de référence (R), lesdits points de départ étant choisis, à l'intérieur du groupe, dans n'importe quel ordre. 5 Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce que, d'une couche à la suivante, le point de départ (Nid) de la première nappe (Ni) est décalé angulairement par rapport à celui de la première nappe de la couche précédente. 6 Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce que, d'une couche à la suivante, le point de départ (Nid) de la première nappe (Ni) est le même que celui de la première nappe de la couche précédente et les nappes de la couche suivante sont déposées dans le sens inverse du sens de dépose des nappes de la couche précédente. 7 Procédé suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les nappes (Ni à N 18) d'une même couche n'ont pas toutes le même motif de dépose des fils. 8 Procédé suivant l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'entre chaque couche est effectué un bobinage conventionnel.30 9 Procédé suivant l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la dépose de la ou des couches est complétée par un piquage introduisant des fils suivant une troisième direction. 10 Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il est constitué d'une série d'aiguilles ou analogues, implantées en saillie sur la surface à revêtir ( 1), le long dudit cercle de référence (R), à égale distance les unes des autres, et définissant lesdits points de départ (Nd) et d'arrivée (Na)40 entre lesquels le fil, ou l'ensemble de fils, est, à l'aide 13 d'une machine de bobinage de type connu, déposé suivant une trajectoire sensiblement géodésique sur la surface ( 1). 11 Dispositif suivant la revendication 10, caractérisé en ce que les aiguilles sont fusibles. 12 Structure comportant au moins une surface hémisphérique revêtue conformément au procédé selon l'une des revendications 1 à 9. 13 Structure selon la revendication 12, caractérisée en ce qu'elle comprend une virole cylindrique et deux fonds d'extrémité hémisphérique dont, l'un, est muni d'un orifice d'accès et, l'autre, comporte une zone morte non revêtue correspondant audit orifice.