Brevet FR2713978A1 — publié le 19950623

La présente invention concerne un mandrin perfectionné pour la fabrication de pièces en matériau composite avec de bonnes caractéristiques mécaniques. Les brevets FR-2596695 et FR-2312356 décrivent des moyens et des méthodes pour fabriquer des pièces en résine et fibres de renfort par remplissage d'un moule enroulé hélicofdalement sur un mandrin ou tambour. Le garnissage du moule avec des fibres enrobées de résine est effectué par enroulement filamentaire. Pour cela, le mandrin est entraîné en rotation autour de son axe. Une fois l'enroulement exécuté, I'ensemble composé par le mandrin, le moule sur le mandrin et les pièces en composite, est porté à une température suffisante pour stabiliser la résine d'enrobage des fibres. La dilatation thermique du mandrin procure une augmentation du diamètre du mandrin pendant que la résine est toujours en cours de stabilisation, c'est à dire que sa viscosité n'est pas encore suffisamment basse pour s'opposer à des déplacement des fibres. Dans le cas o le coefficient de dilatation thermique des fibres de renfort est plus faible que le coefficient de dilatation thermique du mandrin, les fibres se déplacent dans le moule puisque la dimension du moule augmente plus que celle des fibres. Cet effet a pour conséquence de modifier l'homogénéité de la répartition des fibres enrobées par la résine. Cet inconvénient apparaît également dans le cas de la fabrication de tubes en matériau composite par bobinage des fibres enrobées de résine sur un support du type mandrin. Le problème de l'homogénéité du matériau composant la pièce en composite, tels un profilé allongés et de forme hélicoïdale ou un tube, n'est pas un problème de résistance à la traction, mais principalement un problème de tenue au vieillissement et en fatigue. La résistance au vieillissement en présence d'eau, par exemple pour les composites en fibres de verre et résine, est d'autant moins bonne que la teneur en résine est plus faible. En effet, une très faible épaisseur de résine entre deux fibres favorise les décollements à l'interface sous l'effet des contraintes mécaniques ou thermiques. Le verre nu est très facilement attaqué par l'eau. Par ailleurs, des fibres dénudées entrant en contact les unes avec les autres se brisent facilement par érosion, d'o la mauvaise tenue en fatigue des composites trop riche en fibres de renfort. On en déduit qu'il faut un matelas suffisant de résine pour séparer les fibres. Ainsi la présente invention concerne un mandrin pour la fabrication par enroulement filamentaire de pièces en résine renforcée par des fibres de renfort. Le mandrin comporte une couche de matériau composite comportant des fils disposés sensiblement circonférentiellement par rapport à l'axe de rotation dudit mandrin. L'épaisseur de la couche et la nature des fils qui la compose peuvent être déterminés pour que le coefficient de dilatation thermique global dudit mandrin soit proche du coefficient de dilatation thermique desdites fibres de renfort desdites pièces. Par coefficient de dilatation thermique global du mandrin, il faut l'entendre comme un coefficient de dilatation thermique apparent qui prend en compte l'ensemble des matériaux constituant la mandrin dont le comportement en température est représenté par ledit coefficient de dilatation global. Le mandrin peut avoir une forme cylindrique de diamètre au moins supérieur à i mètre. Les fils du mandrin peuvent être en carbone ou polyaramide. L'invention concerne également l'utilisation du mandrin selon la présente invention à la fabrication, selon la technique d'enroulement filamentaire, de profilé cintré en résine stabilisable renforcée de fibres de verre. Dans l'utilisation, le profilé peut être stabilisé par le chauffage du mandrin après enroulement. L'invention concerne également une méthode pour la fabrication par enroulement filamentaire de pièces en résine renforcée par des fibres de renfort sur un mandrin. Dans la méthode, le mandrin est conçu pour présenter une dilatation thermique circonférentielle proche de la dilatation thermique desdites fibres de renfort desdites pièces dans une portion au moins de la plage de température d'utilisation dudit mandrin. La portion de la plage de température peut correspondre à une plage de température de stabilisation de la résine desdites pièces. La structure du mandrin peut être telle que le coefficient de dilatation thermique global du mandrin est proche du coefficient de dilatation thermique des fibres de renfort des pièces fabriquées. La présente invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront plus clairement à la description qui suit d'exemples particuliers, nullement limitatifs, illustrés par les figures ci-annexées, parmi lesquelles: - la figure 1 est une vue schématique d'un appareillage comportant un mandrin selon l'invention, - les figures 2A et 2B montrent en section transversales partielles la fabrication de profilés cintrés selon l'art antérieur, - La figure 3 montre également en section transversale partielle le mandrin selon l'invention. La figure 1 montre des fibres de renforts 2 (par exemple des fils de verre, de carbone, etc...) imprégnés de matière réticulable, telle par exemple, une résine époxyde ou de polyester, qui sont enroulées sur un mandrin cylindrique 3 entraîné en rotation autour de son axe longitudinal. Ces fibres de renfort 2 sont posées dans une gorge hélicoïdale à pas court portée par le mandrin 3. La gorge hélicoïdale portée par le mandrin 3 et recevant les fibres de renfort 2 est préférentiellement constituée par un profilé creux 5 formant moule, de section interne correspondante à celle du profilé à obtenir. Ce profilé creux 5 est lui même enroulé en continu à spires jointives sur un mandrin lisse 3. Le profilé creux peut être constitué en matière thermoplastique souple (par exemple en polyamide ou PVC). Ainsi, ce mode de fabrication permet de changer la section du produit sans remplacer le mandrin 3. Le profilé formant moule est stocké sur une bobine 4. La figure 2A montre une section partielle d'un mandrin 6 selon l'art antérieur comportant un moule 5 dans lequel les fibres de renfort enrobées 2 sont placées par enroulement selon la figure 1. La figure 2A est représentée lorsque le mandrin 6 et le moule 5 sont à la température ambiante, par exemple C, du local o se trouve l'appareillage d'enroulement. La figure 2B montre, avec exagération pour le besoin de la description, une section partielle selon la figure 2A lorsque le mandrin est soumis à une élévation de température afin de stabiliser la résine d'enrobage des fibres de renfort 2. Le mandrin qui est préférentiellement en acier, a un coefficient de dilatation de 11 10-6 C-1, alors que des fibres de verre ont un coefficient de dilatation de 5 10-6. Lorsque l'on procède à la gélification en étuve, ou autre procédé, du profilé à la température de 90 C, le mandrin se dilate radialement d'une valeur de 11 10-6*(90-20)=770 10'6, ce qui rapporté à un rayon de 70cm, représente 0,54 mm. Tandis que les fibres de verre se dilatent pour leur part de 10 6*(90-20)=350 10- 6, ce qui ramené au même rayon, représente 0,24 mm. Pendant la période de chauffage, qui dure environ une heure, la viscosité de la résine s'élève petit à petit, mais reste insuffisante pour s'opposer à un déplacement radial des fibres. La différence des dilatations radiales du mandrin selon l'art antérieur et des fibres, soit 0,3 mm se retrouve sous forme d'une couche de résine pure 7. Au fond du profilé, on observe une couche 8 de fibres déposées au fond, et qui sont en légère surtension, correspondant à l'allongement différentiel, et des fibres qui se trouvaient préalablement au- dessus et qui se sont rapprochées du fond du moule (en fait, c'est le fond du moule qui est monté avec la dilatation du mandrin 6). En effet, la résine n'étant pas encore gélifiée, elles ne se sont pas tendues en restant en place. La couche 9 reste sensiblement homogène. L'épaisseur de résine pure, proportionnelle au diamètre du mandrin 6, pouvait être négligée tant que l'on opérait sur des mandrins de petit diamètre. Avec des mandrins de fort diamètre, par exemple 1,4 mètres, cet effet n'est plus négligeable. En effet, le module en flexion d'un profilé comportant une telle couche de résine pure est très sensiblement diminué comparativement à un profilé comportant une répartition homogène des fibres. Une façon de se prémunir contre cette couche 7 de résine pure en surface du profilé, de l'ordre de 0,3 mm, corrélativement associée à une couche interne 8 riche en fibres, est de ramener le coefficient de dilatation apparent du mandrin à une valeur sensiblement égale au coefficient de dilatation des fibres 2. Ainsi, la dilatation globale du mandrin correspondra pratiquement à la dilatation longitudinale des fibres de renfort de la pièce. Dans une réalisation préférentielle, ceci peut être obtenu, illustré par la figure 3, en recouvrant un support métallique 11, constituant le mandrin, par une couche de composite 10 circonférentiel composé de fils en polyaramide tel le Kevlar 49 fabriqué par la société Du Pont de Nemours ou de carbone dont le coefficient de dilatation linéaire longitudinal est faiblement négatif (-0,710-6 pour le carbone, -3,5 106 pour le Kevlar). Pour que la dilatation thermique globale du mandrin 12 soit i 5 sensiblement égale à celle des fibres 2, on détermine les niveaux de contraintes thermiques dans la couche 10 de composite et dans l'épaisseur du support 11 pour que l'ensemble 12 du mandrin recouvert réponde à cette condition de dilatation. L'épaisseur de la couche 10 est fonction de l'épaisseur de la couche 1il, du rayon R (figure 3) de l'interface entre les couches, des modules du composite de la couche 10 et de la couche 11, du coefficient de dilatation de la couche 1 1, de celui des fils de la couche composite 10 et de celui des fibres de renfort 2 composant la pièce dans le moule 5. Un exemple est traité ci-après, dans lequel les fibres 2 pour fabriquer les pièces sont en verre et le support 11 est en acier. Le composite circonférentiel 10 recouvrant la couche d'acier 11 pourra être un composite à environ 65% de fibres par rapport à la résine d'enrobage, ladite résine pouvant être toutes celles couramment utilisées avec les fibres suivantes: - Keviar 49 fabriqué par la société Du Pont de Nemours constituant un composite ayant sensiblement un module de 90 GPa, Carbone HR, tel le T 300 fabriqué par la société Toray constituant un composite ayant sensiblement un module de 150 GPa, - Carbone HM, tel le M46J fabriqué par la société Toray constituant un composite ayant sensiblement un module de 250 GPa. Si on appelle: av le coefficient de dilatation du verre, (5.10-6 oC-1), ac le coefficient de dilatation du composite, (-3,5.10-6 oC-1 pour le Kevlar, -0,7.10-6 C-1 pour le carbone), 0a le coefficient de dilatation de l'acier (11.10-6 oC-1), a la dilatation naturelle de l'acier est: da = aa.At. Pour que la dilatation globale du mandrin fretté soit égale à celle du verre, donc que la couche d'acier soit comprimée de la différence entre sa dilatation naturelle et la dilatation longitudinale du verre, il faut que la couche de composite lui impose un allongement mécanique Ca (négatif puisqu'il s'agit d'une mise en compression) égal à ladite différence entre sa dilatation naturelle et la dilatation longitudinale du verre. La couche de composite de frettage sera tendue de la différence de la dilatation longitudinale du verre et de sa dilatation naturelle (en valeur absolue, on ajoutera le raccourcissement): Ca = -(da- dv) = (av- aa).At úc = dvdc= (xv - ac). At L'équilibre des efforts s'exprimera par le fait que la pression externe Pe imposée par la couche composite de frettage au tube d'acier est opposée (égale en valeur absolue, mais de signe contraire) à la pression interne Pi imposée par le tube d'acier à la couche composite, à la surface de contact (de rayon R) de ces deux couches. Comme il s'agit de tubes minces, on peut écrire Pi = Ga.ea/R Pe = (c.ec/R et, comme Pi = -Pe on peut en déduire que 1 0 (c.ec = -Ga.ea d'o ec = -ea.Ga / Cc or, Gc = Ec.Ec et Ta = Ea.úa 1 5 et par suite ec = -ea.(Ea/Ec).((acv - aca) I (X:v - xc)) Numériquement, si l'on admet en première approximation que le coefficient de dilatation du composite est égal à celui de la fibre, on obtient le tableau ci- dessous: Kevlar Carbone HR Carbone HM Ec MPa 90 000 150 000 250 000 Ea/Ec 2,222 1,333 0,8 a(v - Cxa -6.10-6 -6. 106 -6.106 oc -3,5.10-6 -0,7.10-6 -0,7.10-6 Zv- (Zc 8,5.10-6 5,7.10-6 5,7.10- 6 ec/ea 1,57 1,40 0,84 épaisseur de composite pour 7,84 mm 7,02 mm 4,21 mm mm acier pour un mandrin de 10 mètres de longueur La présente invention s'applique également à la fabrication de tubes, préférentiellement de fort diamètre, en matériau composite par enroulement de fibres de renfort sur un mandrin tel que décrit ici. Il est en effet évident que le moule 5 de la figure 3 peut être supprimé sans altérer la solution apportée par la réalisation préférentielle de la présente invention. Ainsi, des tubes fabriqués à l'aide du mandrin ou du procédé selon l'invention seront constitués d'un composite homogène dans sa répartition fibres de renfort et résine, donnant aux tubes de bonnes caractéristiques de résistance à la fatigue et au vieillissement. L'invention n'est pas limitée par l'exemple décrit, en effet, la méthode de fabrication peut être appliquée avec tous les avantages cités en utilisant un mandrin réalisant les fonctions désirées par d'autres moyens proches ou équivalents. REVENDICATIONS 1) Mandrin pour la fabrication par enroulement filamentaire de pièces en résine renforcée par des fibres de renfort, caractérisé en ce que ledit mandrin comporte une couche de matériau composite comportant des fils disposés sensiblement circonférentiellement par rapport à l'axe de rotation dudit mandrin. 2) Mandrin selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur de ladite couche et la nature des fils qui la compose sont déterminés pour que le coefficient de dilatation thermique global dudit mandrin soit proche du coefficient de dilatation thermique desdites fibres de renfort desdites pièces. 3) Mandrin selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit mandrin a une forme cylindrique de diamètre au moins supérieur à 1 mètre. 4) Mandrin selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits fils du mandrin sont en carbone ou polyaramide. ) Utilisation du mandrin selon l'une des revendications précédentes à la fabrication, selon la technique d'enroulement filamentaire, de profilé cintré en résine stabilisable renforcée de fibres de verre. 6) Utilisation selon la revendication 5, caractérisée en ce que ledit profilé est stabilisé par le chauffage du mandrin après enroulement. 7) Méthode pour la fabrication par enroulement filamentaire de pièces en résine renforcée par des fibres de renfort sur un mandrin, caractérisée en ce que ledit mandrin est conçu pour présenter une dilatation thermique circonférentielle proche de la dilatation thermique desdites fibres de renfort desdites pièces dans une portion au moins de la plage de température d'utilisation dudit mandrin. 8) Méthode selon la revendication 7, caractérisée en ce que ladite portion de ladite plage de température correspond à une plage de température de stabilisation de la résine desdites pièces. 9) Méthode selon le revendication 8, caractérisée en ce que la structure du mandrin est telle que le coefficient de dilatation thermique global du mandrin est proche du coefficient de dilatation thermique des fibres de renfort des pièces fabriquées.