Brevet FR2737274A1 — publié le 19970131

Pièce à base de fibres et procédé pour sa fabrication La présente invention concerne une pièce tubulaire non de révolution à épaisseur de paroi variable, en particulier un corps de robinet à boisseau sphérique. Les pièces de ce type, lorsqu'elles doivent être soumises à des contraintes élevées, sont généralement fabriquées en métal, ce qui implique des coûts d'usinage élevés sur des pièces brutes de fonderie. I1 s'ensuit également un poids important qui est préjudiciable dans de nombreuses applications. C'est le cas en particulier des robinets à boisseau sphérique qui subissent des pressions internes très élevées et autres contraintes nécessitant des renforcements locaux qui rendent le robinet, en particulier le corps du robinet, relativement complexe. Pour pallier ces inconvénients, on a pensé à utiliser des matières synthétiques et le Demandeur a en particulier proposé, dans FR-A-2.707.548, d'appliquer le procédé du moule en sable à la réalisation de telles pièces. Cependant, l'utilisation de matières synthétiques injectables entraîne des épaisseurs de paroi très importantes qui augmentent l'encombrement et le poids. Ce procédé est malgré tout indispensable dans la réalisation de forme complexes et de ce fait reste limité à des prototypes ou des petites séries. Selon un premier objet, la présente invention concerne une conception de robinets industriels en matériaux composites. L'originalité de la conception est de prévoir, à partir de calculs élaborés par éléments finis et des caractéristiques du matériau envisagé, une géométrie globale des robinets associée à des zones bien précises de concentrations de contraintes conduisant à une géométrie localement adaptée aux contraintes évaluées. Cette possibilité de concevoir une géométrie adaptée pour d'égales déformations sous contraintes en tous points de la structure permet de réaliser dans un matériau à base de polymères et de résines des produits élaborés auparavant uniquement en matériaux métalliques. A cet effet, la pièce selon l'invention est caractérisée en ce qu'elle est constituée d'un matériau à base de fibres liées par une résine thermoplastique QU thermodurcissable, lesdites fibres étant enroulées d'une manière générale hélicoïdalement sur la longueur de la pièce et localement distribuées en fonction de zones de contraintes calculées au préalable. Faisant suite aux calculs préalables de structure, il a été constaté qu'une telle pièce, constituée d'un composite dont la résistance mécanique propre de la matrice peut être dix fois inférieure à celle d'un métal habituellement utilisé pour une telle pièce, a une résistance mécanique comparable à celle de la pièce métallique avec des dimensions globales pratiquement identiques. En outre, la nouvelle pièce en composite possède les propriétés inhérentes au matériau utilisé sur le plan de la résistance à la corrosion, aux agents atmosphériques, aux agents chimiques. Un dispositif approprié permet de garantir la tenue au feu. Selon une forme de réalisation de l'invention, ladite pièce comporte une ouverture transversale, de préférence prolongée par une portion tubulaire extérieure. Dans le cas d'un robinet à boisseau sphérique, cette ouverture latérale est utilisée pour la mise en place de la sphère, la portion tubulaire extérieure étant utilisée pour le logement du chapeau du robinet, dans lequel est montée la tige de commande de la sphère. Ces composants peuvent avantageusement être également en composite. Bien entendu, la pièce peut comporter un diamètre intérieur variable et/ou des portions coniques. Selon son second objet, l'originalité du procédé de fabrication est, en fonction des géométries déterminées précédemment et localement spécifiques, de pouvoir réaliser ces géométries à partir d'une méthode particulière d'enroulement du renfort, méthode permettant de répondre en tous points de la structure aux exigences de la conception. A cet effet, l'invention se rapporte à un procédé pour la fabrication de la pièce précédente, caractérisé en ce qu'on enroule hélicoidalement, autour d'un noyau démontable ayant exactement la forme de l'évidement axial et éventuellement de la collerette, des fibres imprégnées d'une résine thermoplastique ou thermodurcissable et on distribue localement lesdites fibres en fonction des zones de contraintes préalablement calculées. L'utilisation d'un noyau d'enroulement permet de supprimer toutes opérations d'usinage sur la partie interne active de la pièce. On a constaté que l'utilisation du procédé connu d'enroulement filamentaire, habituellement utilisé pour des pièces de révolution telles que des conduits, permettait d'obtenir des pièces homogènes et résistantes. La nature des fibres utilisées et leurs dispositions initiales sont bien entendu choisies en fonction des caractéristiques souhaitées pour la pièce. Pour les fibres, on peut citer par exemple des fibres de verre, des fibres aramide, des fibres carbone, etc. Pour les dispositions initiales de ces fibres on peut citer par exemple une disposition individuelle, en mats, en bandes tissées, préencollées sur support, etc. L'invention sera bien comprise à la lecture de la description suivante d'un robinet à boisseau sphérique selon un exemple de réalisation de l'invention, en référence au dessin annexé dont la figure unique est une vue en coupe axiale dudit robinet. Le robinet comprend un corps 1 monobloc de forme générale tubulaire, constitué d'une tubulure comportant à chaque extrémité un cône 2 permettant la liaison avec la tuyauterie. Un orifice ou ouverture 3 d'axe perpendiculaire à la tubulure permet la mise en place des éléments internes nécessaires à l'étanchéité et à la manoeuvre du système. L'ouverture 3 est prolongée par une portion tubulaire extérieure 8. Un chapeau 4, partiellement logé dans la portion tubulaire extérieure 8 et solidarisé avec le corps 1 comporte la tige de manoeuvre 5 débouchant dans un logement 6 permettant de recevoir une clé de manoeuvre 7. Ce logement peut être obturé par un bouchon (non représenté) pour des raisons de sécurité. La pièce qui vient d'être décrite est d'une seule pièce en fibres enroulées hélicoïdalement. Un procédé simple de fabrication de cette pièce consiste à disposer un noyau démontable ayant exactement la forme fonctionnelle de l'intérieur du corps 1 et à enrouler hélicoïdalement des fibres imprégnées d'une résine thermoplastique ou thermodurcissable autour de ce noyau avec une distribution locale des fibres en fonction des zones de contraintes préalablement calculées. Il est en particulier possible de maintenir le noyau fixe et d'incliner localement les fibres déroulées à partir de bobines. Les fibres peuvent être, comme indiqué précédemment, de tout type convenable, par exemple verre, aramide, carbone. La résine peut également être choisie en fonction de l'application visée et peut en particulier être thermodurcissable ou thermoplastique. Les fibres peuvent être enroulées individuellement ou sous forme de mats, de bandes tissées, encollées sur un support, etc. Les composants internes du robinet sont également en matériaux composites. L'utilisation de composites pour la totalité des composants du robinet permet de réduire le poids d'ensemble et d'utiliser les caractéristiques de résistance de ces composites vis-à-vis des fluides pouvant traverser le robinet. REVENDICATIONS 1. Pièce tubulaire non de révolution à épaisseur de paroi variable, en particulier un corps (1) de robinet à boisseau sphérique, caractérisée en ce qu'elle est constituée d'un matériau à base de fibres liées par une résine thermoplastique ou thermodurcissable, lesdites fibres étant enroulées d'une manière générale hélicoïdalement sur la longueur de la pièce et localement distribuées en fonctions des zones de contraintes calculées au préalable. 2. Pièce selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte une ouverture d'axe perpendiculaire à la tubulure (3), prolongée par une portion tubulaire extérieure (8). 3. Pièce selon la revendication 2, constituant le corps d'un robinet à boisseau sphérique, caractérisée en ce que le robinet comprend un corps (1) monobloc de forme générale tubulaire, constitué d'une tubulure comportant à chaque extrémité un cône (2) permettant la liaison avec la tuyauterie, un orifice (3) d'axe perpendiculaire à la tubulure permettant la mise en place des éléments internes nécessaires à l'étanchéité et à la manoeuvre du système, un chapeau (4) partiellement logé dans une portion tubulaire extérieure (8) prolongeant ledit orifice (3) et solidarisé avec le corps (1) comportant une tige de manoeuvre (5) débouchant dans un logement (6) permettant de recevoir une clé de manoeuvre (7), ledit logement (6) pouvant être obturé par un bouchon pour des raisons de sécurité. 4. Pièce selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'extrémité libre dudit chapeau (4) comporte un évidement axial (6) pour le logement de la tête d'une clé de manoeuvre (7) en matériau composite ou d'un bouchon de protection en matière composite. 5. Pièce selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisée en ce que les extrémités de l'évidement axial du corps (1) comportent respectivement une portion tronconique (2) s'élargissant vers l'extérieur. 6. Procédé de fabrication d'une pièce selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il consiste à disposer un noyau démontable ayant exactement la forme fonctionnelle de l'intérieur du corps (1) et à enrouler hélicoïdalement des fibres imprégnées d'une résine thermoplastique ou thermodurcissable autour de ce noyau, avec une distribution locale des fibres en fonction des zones de contraintes préalablement calculées. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que les fibres sont des fibres de verre, des fibres aramide ou des fibres de carbone. 8. Procédé selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que les fibres sont enroulées individuellement, en mats, en bandes tissées ou préencollées sur un support. 9. Procédé selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que la résine est thermodurcissable ou thermoplastique.