Brevet FR2711068A1 — publié le 19950421

La présente invention concerne un procédé pour fabriquer des éléments tubulaires souples à partir de fibres imprégnées de résine, ces éléments souples étant destinés à être moulés pour former des cadres de raquettes de tennis dont les caractéristiques mécaniques varient en tout point pour être adaptées aux différents désirs des joueurs. Elle a pour objet de proposer un procédé précis 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. Ce procédé définit la méthode et les fourchettes de valeurs à l'intérieur desquelles doivent être déposées certaines quantités de fibres imprégnées de résine, en certains endroits et selon certains angles. Conformément à l'invention, le procédé consiste à enrouler, par couches superposées dont le nombre varie à l'intérieur de certaines fourchettes de poids, des mèches de fibres résistantes de verre, de carbone, d'aramide ou autres, imprégnées de résines synthétiques durcissables autour d'une enveloppe souple gonflable, elle-même venant habiller un mandrin rigide destiné à être enlevé après l'opération d'enroulement filamentaire menée sur une machine automatique. Si on le désire, les résines synthétiques utilisées peuvent être teintées de couleurs différentes. La déposante a en effet découvert que, de façon surprenante, pour obtenir par moulage selon le procédé ci-dessus, un cadre de raquette de tennis adapté aux conditions d'utilisation les plus diverses, les paramètres de fabrication doivent tous obligatoirement répondre aux conditions suivantes: - l'enveloppe souple doit être d'une longueur L1 comprise entre 1200 et 1800 mm, - les enroulements de fibres imprégnées de résine réalisés sur l'enveloppe souple doivent présenter un poids total P compris entre 150 et 250 g, - les fibres des enroulements doivent faire avec l'axe du mandrin un angle compris entre 180et 42O, - lesdits enroulements de fibres imprégnées doivent comprendre: un premier enroulement réalisé sur ladite longueur L1 de l'élément souple et constituant de 60 à 70 % dudit poids total, un second enroulement réalisé sur une longueur L2 symétrique par rapport au milieu de la longueur L1 de l'enveloppe souple et comprise entre 75 % et 85 % de L1, cedit second enroulement constituant de 12 à 22 % du poids total P, un troisième enroulement réalisé sur une longueur L3 symétrique par rapport au milieu de la longueur L1 de l'enveloppe souple et comprise entre 50 et 58 % de L1, cedit troisième enroulement constituant de 8 à 20 % du poids total P, et un quatrième enroulement réalisé sur une longueur L4 symétrique par rapport au milieu de la longueur L1 de l'enveloppe souple et comprise entre 16 % et 33 % de L1, cedit quatrième enroulement constituant de 2 à 8 % du poids total P. Ce procédé permet de déposer selon des angles variables des mèches de fibres préimprégnées de résine teintées de diverses couleurs. Le complexe formé de fibres entrelacées et imprégnées de résines polychromes étant séparé de son mandrin rigide sera alors introduit dans la cavité d'un moule. De l'air ou un gaz neutre, sous forte pression, est alors introduit dans l'enveloppe souple gonflable pour venir plaquer les mèches de fibres sur les parois du moule, alors chauffé pour faire polymériser la résine de préimprégnation. On remarquera que le procédé permet de faire varier à volonté, d'une façon répétitive et peu onéreuse, les qualités de flexion et/ou de résistance à l'écrasement de l'élément tubulaire ou de la nappe roulée. En effet, il est ici possible d'agir sur le pas des enroulements, sur leur nombre, leur longueur, leur superposition et sur la nature des mèches. 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. Les objectifs et avantages précités de l'invention ainsi que d'autres apparaîtront clairement d'après la description suivante donnée à titre d'exemple indicatif mais nullement limitatif en référence aux dessins annexés, dans lesquels: les figures 1 à 3 montrent en vue schématique diverses réalisations du procédé de préparation de l'enveloppe conforme à l'invention, et la figure 4 montre très schématiquement un exemple d'élément souple tubulaire obtenu selon l'invention par enroulements successifs pour la réalisation d'un cadre de raquette de tennis, la figure 5 est une vue analogue à la figure 4, montrant un autre exemple d'élément souple tubulaire obtenu selon l'invention pour la réalisation d'un cadre de raquette de tennis, et la figure 6 est une vue à plat de l'élément souple tubulaire de la figure 4. En référence à la figure 1 on enroule, juxtaposées l'une à l'autre, deux mèches de couleur différente, l'une 10a en fibres de carbone noires imprégnées de résine, l'autre 10b en fibres de verre dont la résine d'imprégnation a été teintée en rouge en conférant à la mèche cette couleur. Ce premier enroulement est réalisé autour d'un boyau 1 1 en cellophane, étanche, gonflable, lui-même préalablement introduit sur un mandrin d'entralnement 12 creux, destiné à être enlevé lorsque plusieurs couches des mèches 10a et 10b auront été bobinées et superposées. Pour faciliter l'opération de déshabillage du mandrin creux 12 celui-ci est perforé de trous a destinés à laisser passer de l'air sous pression venant décoller l'enveloppe gonflable 1 1 plaquée par la pression des fils enroulés 10a et 10b. En se référant à la figure 2, on peut voir sur l'enveloppe en préparation que la mèche 15 est déposée en 15a, 15b, 15c, selon des angles différents qui sont obtenus en faisant varier seulement la vitesse de rotation du mandrin creux d'entraînement 12 alors que la présentation de la mèche le long du mandrin s'effectue à vitesse constante. On peut voir aussi un ruban 14 de mèches de fibres unidirectionnelles, en carbone par exemple, qui a été posé après un arrêt de l'opération d'enroulement, et qui est pincé sur le boyau 1 1 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, conférera des caractéristiques mécaniques particulières. La figure 3 illustre une variante préférée de réalisation qui rassemble les plus nombreux avantages du procédé selon l'invention. Ainsi, après avoir habillé le mandrin creux 16, perforé de trous a , destinés à servir pour le déshabillage de l'enveloppe composite, d'un boyau 17 souple et résistant par exemple en cellophane ou en polypropilène, on enroule autour du mandrin 16 habillé deux mèches juxtaposées 18, 19 dont l'une est en carbone, par exemple et l'autre en verre teinté. Les mèches de fibres 18, 19 sont enroulées, au cours de quatre passages aller et retour, sur une partie centrale du complexe. La vitesse de rotation du mandrin 16 a varié de telle façon que les angles de dépose des mèches 18, 19 par rapport à l'axe du mandrin 16 sont différents ainsi qu'on l'a expliqué à la figure 2. Venant se superposer à l'enroulement des mèches 18, 19 une mèche 20 est enroulée tout le long de la gaine pour parachever l'enveloppe composite. On observe ici clairement que les caractéristiques mécaniques aux extrémités de l'enveloppe seront différentes de celles du centre de cette dernière. Cette disposition des mèches superposées en certains endroits de l'enveloppe, et de plus selon des angles différents, est particulièrement intéressante, dans la fabrication d'une raquette de tennis pour faire varier la résistance selon les zones car tous les points du tamis de la raquette ne sont pas sollicités par des efforts comparables. Ainsi, pour réaliser des raquettes de tennis dont les caractéristiques mécaniques, de poids, d'aspect, de prix couvriront l'ensemble des souhaits des utilisateurs, on peut avantageusement utiliser le procédé selon les exemples décrits ci-après. Exemple I En vue de la fabrication d'une raquette de tennis légère et très rigide, on imprègne de résine époxyde des fibres de carbone de façon que le poids de résine constitue 38 % du poids du composite carbone résine obtenu, puis on réalise un élément tubulaire souple, d'un poids de 200 g, destiné à être moulé pour obtenir le cadre de raquette. Ces 200 g incluent le poids des enroulements d'extrémité qui sont pratiqués perpendiculairement à l'axe du mandrin pour éviter aux fibres imprégnées de glisser le long de la gaine. Ces enroulements qui sont situés à l'extrémité de la poignée de la raquette seront coupés avant moulage. On obtient l'élément tubulaire souple en enroulant lesdites fibres de carbone imprégnées de résine sur un boyau gonflable du type en polyamide 6,6 d'épaisseur de paroi 60 microns, d'un poids de 4,5 g/m, de diamètre 19 mm et de longueur L1 de 1650 mm. À cet effet, comme représenté aux figures 4 et 6, on réalise, sous un angle de 250 par rapport à l'axe du mandrin, un premier enroulement en déposant sur la longueur L1 du boyau 130 grammes de composite carbone résine c'est-à-dire 65 % du poids total de 200 g de l'élément tubulaire souple à obtenir. On dépose ensuite sur le premier enroulement un deuxième enroulement, réalisé selon un angle de 220 par rapport à l'axe du mandrin, de façon à déposer, sur une longueur L2 correspondant à 80 % de L1 c'està-dire 1320 mm et répartie symétriquement par rapport au milieu de la longueur L1, un poids de composite carbone résine de 30 grammes c'est-à-dire 15 % du poids total de 200 g. On dépose ensuite sur le deuxième enroulement, selon un angle de 270 sur une longueur L3 de 910 mm correspondant à 55 % de L1, un troisième enroulement d'un poids de 34 g c'est-à-dire 17 % du poids total de 200 g. Puis sur ce troisième enroulement on dépose, sous un angle de 220 et sur une longueur L4 de 300 mm c'est-à-dire correspondant à 18 % de L1, un quatrième enroulement d'un poids de 6 g correspondant à 3 % du poids total. Enfin, par injection d'air dans le boyau gonflable, on retire alors du mandrin lui ayant servi de support l'élément tubulaire souple ainsi réalisé. Dans le tableau 1 qui suit, on a rappelé les caractéristiques de chacun des enroulements successifs de composite carbone-résine constituant l'élément tubulaire souple obtenu. Tableau n0 1 Longueurs des Angles de dépose Poids de fibres déposées Couches couches (mm) des fibres g 470 du total L1 1650 =L1 25 130 65 % L2 1310 = L1 x 80 % 220 30 15% L3 910 = L1 x 55 % 270 34 17 % L4 300 = L1 x 18 % 220 6 3% 200 100 % Exemple 2 Pour la réalisation d'un cadre de raquette de tennis moins rigide, mais plus lourd (d'un poids de 250 grammes), on réalise un élément tubulaire souple par enroulement simultané de fibres de carbone associées à des fibres de verre également chargées de résine époxyde. Ces fibres de verre sont teintées de couleur verte pour conférer à la raquette un aspect original. À cet effet, comme représenté à la figure 5, sur un boyau gonflable du même type que celui utilisé dans l'exemple 1 mais d'une longueur L1 de 1620 mm, on réalise sur toute la longueur L1 un premier enroulement du composite carbone-verre-résine suivant un angle qui varie régulièrement de 27 au début de l'enroulement situé à une extrémité du boyau gonflable jusqu'à 180 au milieu de celui-ci, pour revenir à 270 en atteignant l'autre extrémité du boyau gonflable, ce premier enroulement ayant un poids de 150 grammes correspondant à 60 % du poids total 250 grammes. On réalise ensuite un second enroulement du composite carbone-verre-résine, sous un angle de 360 sur une longueur L3 = 940 mm correspondant à 58 % de la longueur L1 et avec un poids de 45 grammes c'est-à-dire 18 % du poids total. Comme on le voit sur la figure 12, ce second enroulement est constitué de parties symétriques L3a et L3b enroulées directement sur le premier enroulement et d'une partie centrale L3c qui, comme on le décrira plus loin, est enroulée sur l'élément extérieur L4b d'un troisième enroulement L4 mentionné ci-après. On réalise ensuite sur la partie centrale du premier enroulement L1 une partie intérieure L4a du troisième enroulement L4 = L4a + L4b sous un angle de 240, sur une longueur de 535 mm (soit 33 % de L1) et d'un poids de 10 grammes (c'est-à-dire 4 % du poids total de 250 grammes). On procède ensuite à un quatrième enroulement toujours du même composite, sous un angle de 240, sur une longueur L2 de 1361 mm (24 % de L1) avec un poids de 45 grammes, c'est-à-dire 18 % du poids total. Sur ce quatrième enroulement on enroule la partie L4b du troisième enroulement complémentaire de la partie L4a de cet enroulement, puis sur ce dernier, on enroule la partie L3C du deuxième enroulement complémentaire des parties L3a et L3b de ce deuxième enroulement. On a reporté sur le tableau 2 suivant la répartition des poids et des longueurs des enroulements réalisés. Tableau n 2 Couches Longueurs des Angle de dépose Poids de fibres déposées couches (mm) des fibres g % du total L1 1620 = L1 18 à 27 150 60 8 L2 1361 =L1x84% 240 45 18% L3a + L3b+ L3c + L3d 940 = L1 x 58 % 360 45 18 % L4a+L4b 535 =L1x33% 23 10 4% 250 100% On observe que dans cet exemple les enroulements forment des couches de fibres imbriquées. De semblables expériences ayant été conduites sur de très nombreux exemples, on a observé que pour obtenir un cadre moulé de raquette de tennis de bonne qualité en fibres, il suffisait de réaliser une succession d'enroulements pesant au total entre 150 grammes et 250 grammes faisant des angles compris entre 180 et 420 avec l'axe longitudinal de l'enveloppe, ces enroulements successifs ayant des poids et couvrant les longueurs indiquées dans ce tableau 3 ci-dessous. Tableau n 3 Couches Longueurs des Coefficients Pourcentage du poids total P couches déposées a, b, c / L1 de fibres imprégnées L1 L1 58 % à 70 % L2 L2 =L1xa 72 % # a # 85 % 12 %à26 % L3 L3 = L1 xb 50 % # b # 62 % 8 % à 20 % L4 L4 =Llxc 16 % # c # 33 % 2%à 8 % REVENDICATIONS 1) Procédé pour la réalisation d'un cadre de raquette de tennis par moulage d'un élément souple tubulaire imprégné de résine comprenant les opérations qui consistent: - à imprégner de résine des fibres, - à enrouler lesdites fibres imprégnées de résine autour d'une enveloppe souple disposée sur un mandrin rigide entraîné en rotation, caractérisé en ce que: - l'enveloppe souple est d'une longueur L1 comprise entre 1200 et 1800 mm, - les enroulements de fibres imprégnées de résine réalisés sur l'enveloppe souple présentent un poids total P compris entre 150 et 250 g, - les fibres des enroulements font avec l'axe du mandrin un angle compris entre 180 et 42", - les dits enroulements de fibres imprégnées comprennent: un premier enroulement réalisé sur ladite longueur L1 de l'élément souple et constituant de 58 % à 70 % dudit poids total, un second enroulement réalisé sur une longueur L2 symétrique par rapport au milieu de la longueur L1 de l'enveloppe souple et comprise entre 72 % et 85 % de L1 , cedit second enroulement constituant de 12 à 26 % du poids total P, un troisième enroulement réalisé sur une longueur L3 symétrique par rapport au milieu de la longueur L1 de l'enveloppe souple et comprise entre 50 % et 62 % de L1, cedit troisième enroulement constituant de 8 à 20 % du poids total P, et un quatrième enroulement réalisé sur une longueur L4 symétrique par rapport au milieu de la longueur L1 de l'enveloppe souple et comprise entre 16 % et 33 % de L1 ce dit quatrième enroulement constituant de 2 à 8 % du poids total P. 2) Procédé selon la revendication 1 dans lequel l'un au moins desdits enroulements est fractionné en plusieurs parties qui sont imbriquées de façon différente entre d'autres enroulements. 3) Procédé selon la revendication 1 dans lequel les fibres sont enduites de résines teintées de couleur différente conférant à l'élément tubulaire un aspect tissé polychrome. 4) Procédé selon la revendication 1 dans lequel une bande de fibres jointives orientées selon la génératrice de l'enveloppe souple est pincée entre celle-ci et les enroulements des fibres imprégnées, en constituant un renfort ponctuel de l'élément souple tubulaire. 5) Cadre de raquette de tennis, caractérisé en ce qu'il est obtenu par mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4.