Brevet FR2772301A1 — publié le 19990618

ELEMENT EN MATERIAU COMPOSITE A SURFACE DE GLISSEMENT, ET PROCEDE DE FABRICATION La présente invention concerne les pièces en matériau composite dont une surface est destinée à constituer une surface de glissement contre laquelle vient glisser une autre pièce. Les pièces en matériau composite sont de plus en plus utilisées pour la fabrication de divers engins ou machines, et notamment pour la fabrication de véhicules. Les matériaux oomposites présentent l'avantage d'une grande légèreté associée à des caractéristiques de résistance mécanique maîtrisables. En particulier, en noyant des matériaux fibreux dans une résine appropriée, et en orientant les fibres selon des directions particulières, il est possible de favoriser la tenue mécanique de la pièce dans une ou plusieurs directions privilégiées, ces directions étant choisies en fonction des contraintes mécaniques que la pièce doit subir. Mais les fibres présentes dans le matériau composite conduisent à réaliser des surfaces externes présentant un caractère abrasif, peu compatible avec le glissement d'une pièce sur cette surface externe. On peut être tenté de réaliser la surface de glissement par une couche d'un gel coat adapté pour une application par voie humide, c'est-àdire une application à l'état fluide au pinceau suivie d'une polymérisation. Mais une telle couche de gel coat, appliquée par exemple sur un moule de forme, ne peut être compatible qu'avec une couche ultérieure de résine elle-même appliquée au pinceau avant un tissu d'armature. I1 s'agit de la réalisation d'une pièce par voie humide. Mais dans une telle réalisation, le taux de résine est élevé, et les épaisseurs sont irrégulières, résultant d'une application manuelle. Par ailleurs, pour réaliser des pièces présentant un taux de résine inférieur et une épaisseur régulière, ayant ainsi de bonnes caractéristiques de résistance mécanique, on a utilisé des tissus ou nappes préimprégnés. Un tel tissu est composé d'une ou plusieurs couches de fibres imbriquées ou entrelacées, préimprégnées d'une résine polymérisable. La difficulté est alors une incompatibilité apparente entre le gel coat réalisant la surface de glissement et les résines époxy composant le corps de la pièce. I1 apparaît en effet que le gel coat ne supporte pas des températures supérieures à 80 C, car il se craquèle, réalisant une surface de glissement inappropriée. D'autre part, les résines époxy présentant de bonnes propriétés de résistance mécanique nécessitent une température de polymérisation de l'ordre de 120 à 1400 C. Il en résulte que, lors d'une cuisson pour polymérisation de la résine époxy, le gel coat est détérioré et la surface de glissement ainsi réalisée est défectueuse. Un autre problème est la réalisation d'une bonne soudure entre la couche de gel coat et les couches de tissus ou de nappes préimprégnés. I1 apparaît en effet un défaut de soudure si les couches de tissus ou de nappes préimprégnés sont appliquées après polymérisation complète du gel coat. A l'inverse, si l'on tente d'appliquer immédiatement les couches de tissus ou de nappes préimprégnés sur le gel coat non polymérisé, le gel coat pénètre dans les couches préimprégnées et disparaît de la surface de glissement, conduisant à la réalisation d'une surface abrasive inappropriée. Une autre difficulté est la polymérisation relativement rapide du gel coat, qui ne permet pas d'attendre la constitution complète de couches supérieures constituant le corps de la pièce. Ainsi, l'homme du métier est a priori détourné de toute idée de combiner un gel coat adapté pour une application par voie humide avec des tissus ou nappes préimprégnés adaptés pour réaliser des corps de pièces présentant un taux de résine faible, notamment inférieur à 50 % en poids. Le problème proposé par la présente invention est ainsi de concevoir une nouvelle structure de pièce en matériau composite et un nouveau procédé pour sa réalisation, permettant la constitution de pièces en matériau composite ayant un taux de fibres supérieur à 50 % en poids et ayant une surface de glissement dépourvue de fibres d'armature. Dans une telle pièce, le matériau composite présente une bonne cohésion, et la surface de glissement est dépourvue de craquelures. Pour atteindre ces objets ainsi que d'autres, l'invention prévoit de réaliser un élément en matériau composite à surface de glissement, comprenant un corps d'élément à plusieurs couches de fibres noyées dans une résine époxy à faible taux de résine, la surface de glissement étant formée d'une couche superficielle d'un gel coat adapté pour une application par voie humide. Les couches de fibres sont par exemple formées de fibres entrelacées. Les fibres peuvent être tissées. Selon une application, le corps d'élément est tubulaire, et sa surface de glissement est une surface intérieure cylindrique du corps. Un tel élément tubulaire peut former un cylindre de vérin, ou un tube d'amortisseur pour suspension de véhicules, par exemple. Un procédé selon l'invention, pour la fabrication d'un élément en matériau composite à surface de glissement, comprend les étapes suivantes a) disposer un moule de forme ayant la forme de la surface de glissement b) appliquer sur le moule de forme au moins une couche contenant un gel coat adapté pour une application par voie humide c) attendre la polymérisation partielle de la couche à gel coat pour atteindre une viscosité suffisante évitant le passage du gel coat à travers les fibres d'un tissu préimprégné d) appliquer au moins une couche de tissu de fibres préimprégnées de résine époxy f) réaliser une cuisson de l'ensemble à température appropriée et avec application d'une pression forçant le gel coat en appui contre le moule de forme, jusqu'à polymérisation complète j) enlever le moule de forme. Selon ce procédé, il peut s'avérer difficile d'appliquer un nombre suffisant de couches de tissus de fibres imprégnées de résine époxy sur le gel coat, de sorte que la soudure entre le gel coat et les couches de fibres imprégnées n'est pas de qualité suffisante. Pour cela, on peut préférer un procédé en deux cuissons successives, avec - avant l'étape f), une étape e) d'application d'un tissu en fibres de verre sur la surface d'élément opposée à la couche contenant le gel coat, - entre l'étape f) et l'étape j), une procédure ultérieure différée selon laquelle g) on enlève le tissu en fibres de verre h) on applique une ou plusieurs couches supplémentaires de fibres préimprégnées de résine époxy ; i) on cuit l'ensemble sous pression jusqu'à polymérisation complète et soudure des couches supplémentaires avec les couches précédentes. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation particuliers, faite en relation avec les figures jointes, parmi lesquelles - la figure 1 est une vue schématique en perspective d'un élément en matériau composite selon un mode de réalisation de la présente invention, vu du côté de sa surface de glissement - la figure 2 est une vue en perspective de l'élément de la figure 1, vu du côté opposé à sa surface de glissement - la figure 3 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un tube en matériau composite selon la présente invention - la figure 4 illustre les étapes successives d'un procédé de fabrication d'un élément en matériau composite selon un mode de réalisation de la présente invention. Comme illustré schématiquement sur les figures 1 et 2, un élément 1 en matériau composite selon l'invention comprend une surface de glissement 2 constituant l'une des surfaces extérieures principales d'un corps d'élément 3. Le corps d'élément 3 est formé de plusieurs couches de fibres noyées dans une résine époxy. Sur les figures 1 et 2, on distingue un corps 3 composé de six couches respectivement 4, 5, 6, 7, 8 et 9 formées chacune d'un tissu ou nappe de fibres d'armature telles que des fibres de carbone noyées dans une résine époxy polymérisée. La surface de glissement 2 est formée d'une couche superficielle 10 d'un gel coat adapté pour une application par voie humide. On peut, par exemple, utiliser un gel coat de type SW404 vendu par la société CIBA GEIGY. La surface de glissement 2 extérieure doit être particulièrement lisse et régulière, pour constituer une surface de glissement à faible coefficient de frottement. Les couches de fibres 4-9 sont formées de fibres entrelacées noyées dans la résine. Les fibres peuvent être tissées. Les figures 1 et 2 illustrent un tel élément en matériau composite à surface de glissement 2 généralement plane. On peut aussi concevoir, selon l'invention, une surface de glissement 2 cylindrique, par exemple de forme tubulaire comme illustré sur la figure 3 le corps 3 est alors un tube, et la surface de glissement 2 est la surface intérieure cylindrique du corps 3 formée par une couche intérieure 10 de gel coat. Un tel corps cylindrique 3 de la figure 3 peut constituer par exemple un cylindre de vérin, ou un tube d'amortisseur pour suspension de véhicules. De préférence, le corps 3 doit être un élément comportant un taux de fibres supérieur à 50 % en poids : cela exclut la réalisation d'un tel corps 3 par voie humide, c'est-à-dire par un procédé dans lequel les couches de tissus ou nappes de fibres sont appliquées successivement les unes sur les autres et imprégnées de résine fluide. Pour réaliser un taux de fibres supérieur à 50 %, il est nécessaire de recourir à des nappes ou tissus préimprégnés, comme illustré sur la figure 4. Dans un tel procédé, comme on le voit sur la figure 4 a), on dispose tout d'abord un moule de forme 11 dont une surface de moulage 12 présente la forme de la surface de glissement 2 à réaliser sur l'élément. Sur la figure 4 b), on applique sur la surface de moulage 12 du moule de forme 11 au moins une couche 10 contenant un gel coat adapté pour une application par voie humide. On attend ensuite la polymérisation partielle de la couche 10 contenant le gel coat, jusqu'à atteindre une viscosité suffisante évitant le passage ultérieur du gel coat à travers les fibres d'un tissu préimprégné appliqué par-dessus ladite couche. Sur la figure 4 d), on applique sur la couche 10 de gel coat partiellement polymérisée au moins une couche 4 de tissu de fibres préimprégnées de résine époxy. Par exemple, sur la figure, on a appliqué deux couches 4 et 5 armées de fibres de carbone préimprégnées de résine époxy. Sur la figure f), on applique une pression extérieure P qui force le gel coat 10 en appui contre la surface de moulage 12 du moule de forme 11, et on effectue un apport extérieur d'énergie calorifique pour élever la température jusqu'à une température appropriée assurant la polymérisation de la résine époxy des couches 4 et 5 de fibres préimprégnées, jusqu'à polymérisation complète. L'application de la pression P peut, par exemple, être réalisée en enrobant l'élément et le moule de forme 11 dans un manchon souple, en faisant le vide du côté du moule de forme 11 et en injectant un gaz sous pression sur la surface externe opposée des couches de fibres préimprégnées. Après polymérisation, on peut retirer les éléments d'application de pression, comme indiqué sur la figure 4 fl), puis retirer le moule de forme 11. Le procédé peut alors convenir dans le cas d'une pièce dont le corps 3 présente une faible épaisseur. Cependant, lorsque l'épaisseur du corps 3 est plus importante, nécessitant la présence d'un nombre plus important de couches de fibres préimprégnées, le procédé doit être modifié pour recourir à un procédé en deux cuissons successives. Dans ce cas, à l'issue de l'étape d) comme illustré sur la figure 4 d), on ajoute une étape e) au cours de laquelle on applique, sur la surface d'élément opposée à la couche 10 contenant le gel coat, un tissu en fibres de verre 13, qui reste présent pendant l'étape f) de cuisson sous pression. Ce tissu en fibres de verre 13 est conservé sur le corps 3 lors de l'étape fl) d'attente, comme illustré sur la figure 4, et absorbe les graisses qui se forment à la surface extérieure des couches armées en résine époxy lors de l'étape de cuisson f). Après cette première cuisson f), les éléments obtenus peuvent être stockés pendant une durée quelconque, et constituent ainsi des préformes. Pour finir la pièce, on reprend la préforme et l'on enlève par arrachage le tissu en fibre de verre 13, comme illustré sur la figure 4 g). De préférence, l'élément est remis sur la pièce de forme 11, pour éviter sa déformation. Sur la figure 4 h), on applique une ou plusieurs couches supplémentaires, par exemple les couches 6 et 7, constituées de fibres préimprégnées en résine époxy. Sur la figure 4 i), on procède à une seconde cuisson sous pression, similaire à l'étape f), jusqu'à polymérisation complète et soudure des couches supplémentaires 6 et 7 sur les couches précédentes 4 et 5. La soudure est efficace grâce à l'enlèvement des graisses absorbées dans le tissu en fibre de verre 13 préalablement arraché. Sur la figure 4 j), on enlève le moule de préforme 11 et les éléments d'application de pression, pour obtenir l'élément 1 présentant la couche de gel coat 10 formant la surface 2 de glissement, et comportant un corps 3 ayant un taux de fibres supérieur à 50 % en poids. Grâce à un tel procédé de moulage en deux cuissons successives, la première cuisson de l'étape f) peut être réalisée peu de temps après l'application d'une ou deux couches de fibres préimprégnées, de sorte qu'une bonne soudure est réalisée entre la couche de gel coat 10 et les premières couches 4 et 5 de fibres préimprégnées. L'opérateur dispose ensuite d'un temps suffisant pour appliquer toutes les autres couches ultérieures telles que les couches 6 et 7 de fibres préimprégnées, et la soudure entre ces couches ultérieures 6 et 7 et les couches précédentes 4 et 5 est excellente. Une application particulièrement intéressante de la présente invention est la réalisation de tubes pour vérin ou de tubes d'amortisseur pour suspension de véhicules, par exemple des tubes d'amortisseur pour suspension de vélo tout terrain. La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui ont été explicitement décrits, mais elle en inclut les diverses variantes et généralisations contenues dans le domaine des revendications ci-après. REVENDICATIONS 1 - Elément (1) en matériau composite à surface de glissement (2), comprenant un corps d'élément (3) à plusieurs couches (4-9) de fibres noyées dans une résine époxy à faible taux de résine, caractérisé en ce que la surface de glissement (2) est formée d'une couche superficielle (10) d'un gel coat adapté pour une application par voie humide. 2 - Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce que les couches de fibres (4-9) sont formées de fibres entrelacées. 3 - Elément selon la revendication 2, caractérisé en ce que les fibres sont tissées. 4 - Elément selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le corps d'élément (3) est tubulaire, et sa surface de glissement (2) est une surface intérieure cylindrique du corps (3). 5 - Elément selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il forme un cylindre de vérin. 6 - Elément selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il forme un tube d'amortisseur pour suspension de véhicules. 7 - Procédé de fabrication d'un élément selon lune quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de a) disposer un moule de forme (11) ayant la forme de la surface de glissement (2) b) appliquer sur le moule de forme (11) au moins une couche (10) contenant un gel coat adapté pour une application par voie humide c) attendre la polymérisation partielle de la couche (10) à gel coat pour atteindre une viscosité suffisante évitant le passage du gel coat à travers les fibres d'un tissu préimprégné d) appliquer au moins une couche (4) de tissu de fibres préimprégnées de résine époxy f) réaliser une cuisson de l'ensemble à température appropriée et avec application d'une pression (P) forçant le gel coat (10) en appui contre le moule de forme (11), jusqu'à polymérisation complète j) enlever le moule de forme (11). 8 - Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend un procédé en deux cuissons successives, avec - avant l'étape f), une étape e) d'application d'un tissu en fibres de verre (13) sur la surface d'élément opposée à la couche (10) contenant le gel coat, - entre l'étape f) et l'étape j), une procédure ultérieure différée selon laquelle g) on enlève le tissu en fibres de verre (13), h) on applique une ou plusieurs couches supplémentaires de fibres préimprégnées de résine époxy (.6,7), i) on cuit l'ensemble sous pression (P) jusqu'à polymérisation complète et soudure des couches supplémentaires (6,7) avec les couches précédentes (4,5).