Brevet FR2739802A1 — publié le 19970418

Pièces de forme à section constante, en matériau composite et leur dispositif de fabrication à partir d'enroulements en écheveaux de fibres continues imprégnées de résine thermodurcissable. L'invention concerne des pièces de forme en matériau composite et leur dispositif de fabrication à partir de l'enroulement de fibres continues imprégnées d'un liant, par exemple de résines durcissables à chaud ou à froid On utilise des pièces en matériau composite pour alléger les structures mécaniques métalliques, particulièrement lorsque les pièces moulées en matière plastique traditionnelle n'offrent pas une résistance mécanique suffisante. Les procédés de réalisation de pièces de forme en matériau composite devant présenter de très bonnes caractéristiques sont souvent complexes et s'effectuent principalement à partir de tissus pré-imprégnés disposés en couches successives. Ces tissus peuvent être en fibres unidirectionnelles continues sur toute la longueur du tissu ou en fibres croisées selon les utilisations. Les pièces réalisées à partir de couches successives de ces tissus, soumises à des efforts importants peuvent subir une délamination à la suite de fatigues excessives. Cette délamination détruit rapidement les pièces en composites. Cette technologie de fabrication ne permet pas d'introduire des inserts d'extrémité ou dans le corps des pièces de façon homogène. Les inserts d'extrémité, par exemple des articulations ou des trous de fixation, se présentant généralement sous forme tubulaire, ne font pas corps avec le reste de la pièce. Comme il se produit une perte de résistance à ces niveaux, on rapporte généralement des manchons d'extrémité ou des brides de fixation qui nuisent à la tenue de ces pièces. Ces procédés ne permettent pas d'obtenir des formes complexes avec des inserts présentant d'excellentes caractéristiques mécaniques notamment à la flexion. Il est impossible d'obtenir une excellente homogénéité dans l'ensemble des pièces. Il faut prendre des coefficients de sécurité importants, ce qui alourdit les pièces réalisées avec cette technologie et leur fait perdre une part de leurs caractéristiques d'allégement. L'enroulement filamentaire sur mandrin unique permet de réaliser des pièces de révolution avec des fibres de verre, de carbone, de "kevlar" ou autres, imprégnées en continu d'une résine thermodurcissable et disposées selon des directions déterminées à l'avance permettent d'obtenir d'excellentes résistances mécaniques. Ce mode d'enroulement ne permet pas d'obtenir des pièces de forme de surface de section transversale constante et de forme évolutive. Les pièces de forme selon l'invention et leur dispositif de fabrication ont pour objet de pallier ces inconvénients.Lesdites pièces de forme sont de surface de section transversale constante, en matériau composite constituées d'un nombre constant de fibres continues imprégnées d'une résine thermodurcissable (polyester, époxy, etc.), constituées en au moins un écheveau sur des bobines spécifiques plusieurs branches et mandrins multiples de largeur égale ou différente en fonction des formes à obtenir. Les écheveaux, constitués sur ces bobines spéciales, sont ensuite extraits de leurs mandrins et conformés dans des moules spécifiques fermés, semi-fermés ou ouverts selon les formes à obtenir. Les écheveaux sont pressés fortement dans le moules de façon à leur donner leur forme définitive pendant la polymérisation à chaud ou à froid selon la nature du liant.Les pièces ainsi obtenues sont homogènes dans la masse, même si l'on introduit des inserts dans les écheveaux. La masse de fils de l'écheveau épouse la forme de l'insert sous la pression produite par le moule et permet d'obtenir une résistance homogène au niveau des attaches, des articulations, des points d'ancrage qui ne peut pas être obtenue avec les autres technologies. Les pièces obtenues sont aussi légères que possible étant donné que la masse de fils imprégnés est répartie aux endroits subissant le taux de travail le plus élevé et qu'il n'est pas nécessaire de prendre des coefficients de sécurité élevés. Cette technologie rend possible la réalisation de lames de ressort de formes diverses et très légères par rapport aux autres modes de réalisation à résistance égale et pour un coût qui n'est pas supérieur. Les avantages du procédé selon l'invention sont les suivants: - Plus grande légèreté des pièces réalisables à résistance égale; - possibilité de réaliser des pièces très homogènes avec des articulations, des attaches, des points d'ancrage; - Possibilité de réaliser des ressorts à lames de formes très diverses; L'invention est décrite en détail en référence aux dessins donnés à titre d'exemples non limitatifs, dans lesquels on a montré - figures I et 2, un dispositif de réalisation d'écheveaux à quatre mandrins, vu en élévation et de côté; - figures 3 et 4, un exemple de bobine d'enroulement d'écheveau à deux mandrins; - figure 5, un exemple en coupe transversale partielle d'une branche de bobine d'enroulement d'écheveaux avec son flasque extérieur amovible; - figure 6, un exemple de mandrin d'enroulement de moindre largeur;; - figures 7 et 8, un exemple de réglage de longueur du rayon des mandrins de bobines; - figures 9 et 10, des exemples de bobines à 3 et 4 mandrins; - figures 11 et 12 un exemple de moule ouvert pour la réalisation de lames de ressorts; - figures 13, 14, 15 et 16, des exemples de lames-ressorts réalisées selon l'invention; - figures 17 et 18, un exemple de lame de ressort de forme évolutive comportant une articulation en son milieu; - figures 19 et 20, 21 et 22 des exemples de leviers de renvoi en équerre - Figure 23 et 24, un exemple de pièce en croix réalisée dans un moule fermé; - figures 25 et 26 un exemple de ressort de suspension de remorque de faible charge à rigidité progressive; - figure 27, un exemple de pièce de forme coudée avec une articulation dans un moule semiouvert;; - Figures 28 et 29, un exemple de lame de ressort en U de forme évolutive comportant des articulations d'extrémité, polymérisée en moule ferme. Les figures 1 et 2 montrent un exemple de dispositif de réalisation d'écheveaux à quatre mandrins vue en élévation et de côté. Il comporte un ensemble de dévidoirs 1 de distribution de fibres continues 2, de verre, de carbone, de "KEVLAR" ou autres s'imprégnant de résine thermodurcissable par passage dans un bac 3 et s'enroulant sur les mandrins 4 d'une bobine 5 à quatre branches 6. La bobine 5 est montée et solidarisée sur l'arbre 8 d'un motoréducteur 9 tournant à une vitesse d'environ 5 à 6 tours/minute. Les bobines sont interchangeables très rapidement pour passer d'une série de fabrication à une autre. La production est réalisée sur une batterie de motoréducteurs et de moules. Les figures 3, 4 et 5 montrent schématiquement en élévation et en vue de côté, un exemple de bobine à deux mandrins de même largeur pour réaliser des écheveaux simples par séries répétitives. Elle n'est pas équipée de moyens de modification du rayon des bras ou de largeur des mandrins. Cette bobine comporte un flasque fixe 15 et un flasque amovible 16. Le flasque fixe 15 comporte un manchon 17 qui se monte claveté sur l'arbre 8 du motoréducteur d'enroulement 9 (fig. 1) et comporte un moyen d'immobilisation latéral 18. Le manchon 17 comporte en outre une portée 19 sur laquelle vient se centrer le moyeu 20 du flasque amovible 16. le moyeu 20 est immobilisé sur le moyeu 17 du flasque fixe au moyen d'une vis de blocage 21 dans une rainure 22. Le mandrin tubulaire amovible 25 est engagé sur une broche amovible 26 elle-même engagée dans un bossage 27 du flasque fixe dans lequel elle est immobilisée par une goupille amovible 30 accrochée à une chaînette solidaire du flasque 15. le mandrin 25 est en butée sur une joue 28 solidaire du flasque 15, il comporte à son autre extrémité une joue 29 soudée, disposée à l'intérieur du flasque 16. La broche 26 est centrée dans un trou correspondant du flasque 16 qui est immobilisé sur la broche 26 par un crochet 31 pivotant sur un axe 32 comportant une rondelle ressort de freinage 33. Les fibres imprégnées sont bobinées dans la largeur L I sur une épaisseur El. Lorsque la longueur calculée a été enroulée sur les mandrins, ou coupe les fils, on pivote les crochets 31, on extrait la goupille 30, on retire la broche 26, on desserre la vis 21 et on retire le flasque amovible 16 avec l'écheveau. On dégage ensuite l'écheveau des mandrins 25, on place éventuellement les insert-articulation dans les deux extrémités de l'écheveau que l'on place dans le moule de conformation et de polymérisation. On replace les mandrins, le flasque amovible et les broches et on est prêt pour réaliser un autre écheveau. L'opération d'enroulement dure quelques minutes. La durée de polymérisation est fonction de la nature du liant utilisé, elle peut aller de quelques minutes à une heure Lorsque l'on réalise des pièces en petite série ou en grande série non répétitive, on peut utiliser des bobines comportant des moyens de modification du rayon et des moyens de modification de largeur d'enroulement sur les mandrins. La figure 6 montre un exemple de mandrin dont on a réduit la largeur d'enroulement.pour modifier la section de l'écheveau.On a inversé la position de la broche, le moyeu de broche est soudé sur le flasque amovible 16; Le tube du mandrin 35 est de la même largeur que celui de la figure 5, par contre on a rapproché les joues 36 et 37 pour réduire la largeur L2 et accroître l'épaisseur E2. Sur les figures 7 et 8, on a montré un exemple de moyen de modification de position du rayon du mandrin 25. Les flasques 15 et 16 sont coupés et munis de rainures 40 dans lesquelles se déplacent des vis 41 soudées à l'intérieur de plaques 42 et 43 comportant le moyen 27 d'immobilisation de la broche 26 et son trou de passage ainsi que le crochet d'immobilisation du flasque amovible 16. Le règlage du rayon s'effectue en déplaçant vers le haut ou vers le bas les plaques 42 et 43 et en bloquant les écrous 44 de serrage des plaques. Selon la longueur de ces plaques et celle de rainures 40, on peut modifier le rayon R de positionnement radial des mandrins d'une valeur plus ou moins grande. Sur les figures 9 et 10 on a montré schématiquement des bobines à 4 et 3 branches comportant les équipements des figures 5, 6 ou 7, 8. On peut également réaliser des bobines à 5, 6 branches ou plus selon les besoins. On a cependant intérêt, quand c'est possible, à limiter le nombre de branches pour réduire le temps d'extraction de l'écheveau et de remontage des mandrins. Les figures 11 et 12 montrent un exemple de moule ouvert en coupe en élévation et en vue de dessus pour l'obtention d'une lame de ressort 50, 51 de surface de section constante et de forme évolutive, dont l'écheveau est réalisé avec une bobine à trois branches et trois mandrins dont un étroit. Les extrémités 52, 53 de l'écheveau sont à l'extérieur du moule. L'emplacement de l'écheveau est plus haut que son épaisseur terminée telle que visible sur la figure 11. La partie supérieure du moule comporte un poinçon de la forme de la lame 51 en vue de dessus, qui vient comprimer l'écheveau jusqu'à ce que la partie 54 du moule arrive en butée, ce qui correspond à l'épaisseur de la lame 50. La pression du poinçon sur l'écheveau met celui-ci en forme et extrait vers l'extérieur les bulles d'air et le liant excédentaire qui est recueilli dans des godets amovibles 55. Les figures 13 et 14 montrent, en vue de dessus et en élévation la forme de la lame 50 terminée. Les figures 15 et 16 montrent un exemple de lame de ressort 55 à section de surface constante et de forme évolutive, comportant un insert 56 faisant fonction d'articulation. Cette lame 55 est réalisée à partir d'un écheveau enroulé sur une bobine à deux branches et deux mandrins dont un étroit et mis à polymériser dans un moule semi-fermé. Un côté de l'écheveau entourant l'insert 56 positionné par une broche à l'intérieur du moule et l'autre extrémité se trouvant hors du moule comme sur les figures 11 et 12. En fin de polymérisation à chaud ou à froid selon le liant, l'extrémité de l'écheveau côté 57 est coupée. Les figures 17 et 18 montrent un autre exemple de lame de ressort 60, vue en élévation et de dessus, comportant en son centre un insert 61 faisant fonction d'articulation. Les deux branches de la lame sont de section constante et de forme évolutive. Elle est réalisée au moyen d'un écheveau enroulé sur une bobine à quatre branches et quatre mandrins, dont deux étroits, dans un moule ouvert à ses deux extrémités. Les figures 19 et 20 montrent un exemple de levier de renvoi à deux branches inégales, vu en élévation et de dessus et comportant trois insert-articulation 64, 65; Il est réalisé sur une bobine à quatre branches et quatre mandrins dont deux étroit. Les figures 21 et 22 montrent une variante de forme des branches du même levier avec une articulation 63 large, donc enroulée également sur quatre mandrins dont deux étroits. Les figures 23 et 24 montrent un exemple de levier à quatre branches en équerre munie chacune d'un insert-articulation 69 d'extrémité et d'un insert-articulation 70 en son centre. Il est réalisé à partir d'un grand écheveau sur une bobine à 8 mandrins alternés, étroits au droit des articulations et larges au droit du moyeu central vers lequel les parties larges de l'écheveau sont repliées pour venir constituer le moyeu recevant l'insert 70. De même un levier à trois branches et un moyeu dérivé de celui de la figure 23, serait constitué à partir d'un écheveau enroulé sur 6 mandrins dont trois large et trois étroits et introduit dans un moule fermé. Les figures 25 et 26 montrent un exemple de ressort à rigidité progressive réalisé au moyen d'une première lame à section constante et forme évolutive comportant un insertarticulation 76 et dont la surface de contact est plane selon le plan XX. Une seconde lame 77 dont le profil est courbe est solidarisée à la première par son extrémité, soit mécaniquement par un manchon M, soit par repli de l'écheveau sur lui-même perpendiculaire au plan XXI, soit vers le haut, soit vers le bas. Au fur et à mesure que la lame 77 fléchit, son bras de levier diminue et devient plus rigide du fait de sa forme évolutive. La figure 27 montre un exemple de levier coudé 80 muni d'une articulation ou trou de fixation 81 comportant un insert broché dans le moule 82 semi-fermé, l'autre extrémité de l'écheveau se trouve à l'extérieur du moule et sera sectionnée en fin de polymérisation. Ces exemples montrent qu'on peut réaliser, selon ce dispositif, un très grand nombre de piéces ou de lames de ressort à chaque fois que l'on a besoin d'une bonne résistance mécanique et de légèreté, la densité moyenne de ces pièces étant voisine de 1. Les figures 28 et 29 montrent un autre exemple de lame de ressort en U et son mode de fabrication. Cette lame est de section constante et de surface de forme évolutive, épaisse et étroite au niveau de son rayon 86 et s'élargissant et s'amincissant vers l'extrémité de ses bras 87, 88 se terminant par un bossage 89, 90 comportant un insert-articulation tubulaire 91. Elle est réalisée à partir d'un écheveau enroulé sur une bobine à quatre branches avec deux mandrins étroits et deux mandrins larges. Le moule fermé est réalisé en au moins quatre parties 94 à 97 permettant la mise en pression jusqu'en butée de l'écheveau pour lui faire prendre sa forme définitive avant polymérisation, une cinquième partie 98 comportant une bordure de hauteur 99 coopérant avec un poinçon de forme 100, permettant la mise en place de l'écheveau qui débordera au-dela de sa forme finale et sera comprimée dans le moule par ledit poinçon fiv. 29. Les parties mobiles du moule sont équipées de moyens de déplacement vers l'appui en butée, manuels, semi-automatiques ou automatiques selon les cadences de production à obtenir. Ces moyens de manoeuvre étant connus de l'homme de l'art, n'ont pas été représentés. Pour les bobines d'enroulement des écheveaux, le rayon d'enroulement des fibres reste constant quel que soit le nombre de leurs branches. REVENDICATIONS: 1 - Dispositif de réalisation de pièces de forme en matériau composite fabriquées à partir de fibres continues imprégnées de résine durcissable à chaud ou à froid, mises en oeuvre par enroulement filamentaire et introduites dans un moule correspondant, caractérisé en ce que ledit enroulement filamentaire des fibres continues est effectué par un moyen électromécanique de bobinage en écheveau sur au moins deux mandrins (25, 35) escamotables en fin de bobinage, en ce que le nombre de mandrins (25, 35) de bobinage de l'écheveau, l'épaisseur de bobinage et sa largeur (L1, L2), sont définis selon les variations entre la largeur minimale et maximale aux extrémités et la section évolutive de la pièce à obtenir, selon le nombre d'extrémités de la pièce à obtenir et la présence ou non d'un noyau intermédiaire (63, 65), en ce que le moule recevant la pièce de forme est agencé pour la conformer selon les zones de répartition des efforts mécaniques qu'elle doit supporter. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moule dans lequel est placé l'écheveau à conformer, est fermé lorsque les extrémités de l'écheveau participent à la forme de la pièce à obtenir. 3 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'écheveau à conformer est placé dans un moule semi-fermé lorsqu'au moins une des extrémités dudit écheveau participe à la forme de la pièce à obtenir et qu'au moins une autre extrémité se trouve à l'extérieur du moule et est sectionnée après polymérisation. 4 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'écheveau à conformer est placé dans un moule ouvert lorsque toutes les extrémités dudit écheveau se trouvent à l'extérieur du moule et sont sectionnées après polymérisation. 5 - Dispositif selon l'une des revendications 1 et 3 à 4, caractérisé en ce qu'au moins un insert tubulaire (56, 61, 69...) faisant fonction d'articulation ou de point de fixation, est introduit dans l'écheveau et broché sur le moule au moment de sa mise en place. 6 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque bobine est spécifique à un écheveau particulier, elle possède un flasque fixe (15) et un flasque amovible (16) pour extraire ledit écheveau, en ce que le flasque amovible porte les mandrins (25, 35) de bobinage de l'écheveau. 7 - Dispositif selon les revendications I et 6, caractérisé en ce que les mandrins sont munis de joues (28, 29) dont une est solidaire du mandrin correspondant au règlage en largeur et en ce que le flasque extérieur porte-mandrins est amovible et possède ses propres moyens de réglage en largeur. 8 - Dispositif selon les revendications 1, 6 et 7, caractérisé en ce que chaque branche de bobine est munie de moyens (42, 43) de modification de la longueur du rayon de position des mandrins de bobinage. 9 - Pièces de forme en matériau composite fabriquées à partir de fibres continues imprégnées de résine durcissable à chaud ou à froid, mises en oeuvre par un moyen électromécanique de bobinage en écheveau sur au moins deux mandrins (25, 35) escamotables en fin de bobinage, ledit écheveau étant introduit dans un moule correspondant, caractérisées en ce qu'elles sont de forme, de surface de section transversale constante et de forme pouvant être évolutive ou non, en ce qu'elles sont constituées d'un écheveau de longueur et de nombre de brins spécifiques de la forme à obtenir, enroulé sur des bobines munies de mandrins de largeur égale ou différentes, en ce que ledit écheveau de forme est ensuite conformé par moulage dans un moule de polymérisation correspondant, fermé, semifermé ou ouvert, muni de moyens de déplacement et de serrage en butée pour donner la forme définitive desdites pièces avant polymérisation. 10 - Pièces de forme en matériau composite selon la revendication 9 caractérisées en ce qu'elles constituent des lames-ressort linéaires, courbes ou en U, à section constante et forme évolutive ou des leviers, incluant au moins un insert tubulaire de fixation ou d'articulation. 11 - Pièce de forme en matériau composite selon les revendications 9 et 10 caractérisée en ce qu'elle est un ressort en forme de U constitué d'une lame de section constante et de surface de forme évolutive, épaisse et étroite au niveau de son rayon (86), s'élargissant et s'amincissant vers l'extrémité de ses bras (87, 88), se terminant par un bossage (89, 90) comportant un insert-articulation tubulaire (91), en ce qu'elle est réalisée à partir d'un écheveau enroulé sur une bobine à quatre branches avec deux mandrins étroits et deux mandrins larges, en ce que son moule fermé est réalisé en au moins quatre parties (94 à 97) permettant la mise en pression jusqu'en butée de l'écheveau, une cinquième partie (98), en ce qu'il comporte une bordure de hauteur (99) coopérant avec un poinçon de forme (100) comprimant l'écheveau dans le moule, en ce que les parties mobiles du moule sont équipées de moyens de déplacement vers l'appui en butée. 12 - Pièce de forme en matériau composite selon les revendications 9 et 10 caractérisée en ce qu'elle constitue un ressort à rigidité progressive réalisé au moyen d'une première lame à section constante et forme évolutive comportant un insert-articulation (76) et dont la surface de contact est plane selon le plan XX', en ce qu'une seconde lame (77), également de forme évolutive mais courbe, est solidarisée à la première par son extrémité.