Brevet FR2808756A1 — publié le 20011116

La présente invention est relative à un procédé d'élaboration d'une structure en materiau composite notamment pour véhicules ferroviaires. Selon un autre aspect de l'invention, elle a pour objet un dispositif mettant en oeuvre ce procédé d'elaboration. Les structures ferroviaires sont classiquement réalisées en construction de type métallique, c'est à dire principalement à partir d'acier et ou d'aluminium. Ce type de construction présente l'inconvénient conduire à une structure de masse importante. Par ailleurs, on connaît également des procédés de construction de telles réalisations en matériau composite assemblage de panneaux préfabriqués afin de former des structures de type caisse (par exemple on dispose un panneau pour le plancher, deux panneaux latéraux et un panneau pour le pavillon). Ces structures ont pour avantage être plus légères que celles réalisées en acier ou en aluminium. En revanche, les liaisons entre les panneaux qui constituent des zones d'affaiblissement nécessitent des renforts locaux pénalisant en terme de masse. De plus, le coût de fabrication de telles structures demeure élevé puisque ces techniques nécessitent un grand nombre d'interventions manuelles sans possibilité de mécanisation du procédé et le coût de transformation des matériaux de base (préimprégnés) est également important. La présente invention vise donc à pallier de tels inconvénients en proposant un procédé d'élaboration d'une structure notamment ferroviaire par enroulement filamentaire de matériaux non transformés du type résine et fibres donc d'un coût minimisé, et qui permet d'obtenir une structure monobloc tout en garantissant une productivité élevée et en limitant ainsi les opérations de contrôle (et conséquent les coûts associés). A cet effet, l'invention vise en premier lieu un procédé d'élaboration d'une structure en matériau composite notamment pour véhicules ferroviaires, caractérisé en ce qu il consiste à réaliser un squelette (1) constitué préférence de deux demi-ossatures (2, 2'), fixer des panneaux (3) en mousse alveolaire ou analogue entre des montants dudit squelette, effectuer un enroulement filamentaire de fibres et de résine sur un mandrin (4) de gabarit adapté audit squelette ainsi qu'un renforcement longitudinal une dépose de tissu afin de réaliser une première peau (5) recouvrant ledit mandrin, positionner le squelette (1) sur ladite première peau du mandrin (4), réaliser une deuxième peau (8) recouvrant la structure obtenue par enroulement filamentaire de fibres et de résine et dépose longitudinale de tissu sur les panneaux (3) dudit squelette, - effectuer une polymérisation en étuve, - tronçonner les extrémités de la structure, - et réaliser le retrait dudit mandrin. L'invention vise en second lieu un dispositif de fabrication d'une telle structure mettant en oeuvre le procédé tel que défini ci-dessus. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci- après, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures - la figure 1 est une vue schématique et de dessus dispositif d'élaboration de la structure en matériau composite selon l'invention ; - la figure 2 est une vue partielle et en perspective du dispositif de dépose de tissu selon 1 invention ; - la figure 3 est une vue en coupe longitudinale du procédé d'imprégnation de la machine de la figure 1 selon une première variante ; - la figure 4 est une vue en coupe longitudinale du procédé d'imprégnation de la machine de la figure 1 selon une seconde variante ; - les figures 5 13 sont des vues schématiques des différentes étapes du procédé d'élaboration selon l'invention ; - la figure 14 est vue en coupe transversale de la structure en matériau composite obtenue par le procédé selon l'invention. Le procédé d'élaboration d'une structure en matériau composite notamment pour véhicules ferroviaires selon l'invention comporte essentiellement huit étapes. Une première étape (cf. figure 5) consiste à réaliser un squelette 1 constitué de préférence de deux demi-ossatures 2 et 2' (par exemple, métalliques). Ce squelette permet ainsi d'assurer la tenue locale de la structure finale et d'effectuer la mise en place et la maintien de baies ou de pièces métalliques de connexion avec, par exemple, les portes d'un véhicule ferroviaire. La deuxième étape (cf. figure 5) a pour objet de fixer (par collage, par exemple) des panneaux 3 en mousse alvéolaire ou analogue entre des montants du squelette 1 obtenu à l'issu de la première étape. Ces panneaux de mousse assurent notamment l'inertie et le confort d'isolation de la structure du véhicule tout en limitant sa masse. La troisième étape (cf. figures 6 et 2) du procédé consiste à effectuer un enroulement filamentaire de fibres et de résine sur un mandrin 4 sensiblement cylindrique et de gabarit adapté audit squelette ainsi qu'un renforcement longitudinal de cette structure par une dépose de tissu afin de réaliser une première peau 5 recouvrant ledit mandrin. La quatrième étape (cf. figure 7) consiste à mettre en place et à positionner le squelette 1 c' est à dire les deux demi-ossatures 2 et 2' sur ladite première peau 5 du mandrin 4. Pour ce faire, l'assemblage des demi-ossatures s'effectue par exemple l'aide d'attaches métalliques 6 venant s'insérer dans des rails 7 longitudinaux extrudés de ces demi-ossatures. Dans une cinquième étape (cf. figures 8 et 2), on réalise une deuxième peau 8 recouvrant la structure obtenue par un enroulement filamentaire de fibres et de résine et un renforcement longitudinal de tissu sur les panneaux 3 squelette 1 positionné sur le mandrin 4. sixième étape (cf. figure 9) du procédé consiste à effectuer une polymérisation en étuve de la structure obtenue l'issu de la cinquième étape. Les conditions cette polymérisation dépendent de nombreux facteurs (type de résine utilisée, dimensions et masse du squelette performances de l'étuve elle-même, ... ). A titre d'exemple dans le de l'application de ce procédé à l'élaboration d'une voiture de T.G.V. (marque déposée), la température varie entre 120 et 140 C environ et la durée polymérisation est comprise entre 24 et 48 heures environ La septième étape (cf. figure 10) consiste à tronçonner les extrémités de la structure réalisée à l'aide d'une scie circulaire ou analogue. Enfin, la huitième étape (cf. figure 11) du procède selon l'invention a pour but d'effectuer le démandrinage la structure obtenue, c'est à dire de retirer le mandrin qui a servi de support à la construction de cette structure. Selon une caractéristique avantageuse l'invention, le procédé peut comporter une neuvième étape (cf. figure 12) qui a pour objet de fixer des éléments (par collage ou par liaisons mécaniques) à chaque extrémité de la structure de manière à effectuer un raccord avec d'autres structures similaires (dans le cas d'une application à l'élaboration d'une structure ferroviaire, ces éléments permettent le raccord avec d'autres voitures de train). En outre, on peut également effectuer le détourage d'ouvertures 10 du type fenêtres, portes ou similaires (cf. figure 13). On décrira maintenant deux variantes du procédé d'imprégnation des tissus à déposer longitudinalement sur le mandrin (cf. troisième et cinquième étapes). première variante consiste en un procédé d'imprégnation par enduction des tissus. Ce dispositif a pour et d'apporter de la résine 29 sur une nappe 30 de fibres seches soit en faisant cheminer la nappe dans un bain résine liquide soit, comme représente par la figure 3, en faisant passer ladite nappe de fibres sèches sur un rouleau 31 enduit de résine 29 par trempage de ce dernier dans un bac 32 d'imprégnation de résine. En ce qui concerne la deuxième variante, celle-ci consiste en un procédé d'imprégnation par projection des tissus (cf. figure 4). Celui-ci a pour obj d'apporter la résine 29 sur la nappe 30 de fils secs projection ou par_pulverisation à l'aide de buses 33 directement lors de la dépose sur le mandrin 4. tel procédé d'élaboration permet d'obtenir une structure en matériau composite telle représentée en coupe transversale sur la figure 14 pour une application avantageuse du procédé à l'élaboration d'un véhicule ferroviaire. Sur ce dessin, on voit que cette structure comporte une première peau intérieure 5 une deuxième peau extérieure 8. Ces deux peaux sont constituées par des couches successives de fibres et de résine sur la circonférence et sont renforcées par plusieurs couches de tissu de résine disposées longitudinalement afin d'améliorer les caractéristiques mécaniques de l'ensemble. remarquera également que l'épaisseur des fibres et de la résine déposées est plus importante sur les faces inférieures 11 de la structure de manière ' renforcer la résistance mécanique de la structure au niveau de la zone destinée à supporter les personnes et/ marchandises transportées. La structure comprend en outre le squelette 1 de préférence métallique constitué de deux demi-ossatures 2 et 2' comportant elles-mêmes des panneaux de mousse 3 entre ces montants. décrira maintenant le dispositif mettant en oeuvre le procédé d'élaboration d'une structure en matériau composite notamment pour véhicule ferroviaire selon l'invention. Si on se réfère à la figure 1, on voit que la machine de fabrication d'une telle structure comporte notamment un mandrin 4 sensiblement cylindrique soutenu et entraîné en rotation autour d'un axe A par une poupee fixe 12, une lunette 13 étant prévue pour le guidage et le maintien dudit mandrin en rotation. Un chariot 14 disposé sur un banc peut se déplacer longitudinalement (axe X) sur toute la longueur du mandrin 4. Sur ce chariot, on installe un bras de dépose 15 perpendiculairement à l'axe X de déplacement dudit chariot sur lequel est fixée une tête 16 de dépose de fibres et de résine elle-même munie d'un mouvement de rotation autour dudit bras de dépose (axe B), ce dernier pouvant se déplacer transversalement selon un axe Y. Par ailleurs, une passerelle 17 fixée au chariot 14 permet d'accéder à un pupitre 18 de commande du dispositif d'imprégnation 19 installé sur le bras de dépose . Ce dispositif d'imprégnation permettant l'enroulement filamentaire sur le mandrin 4 en rotation fonctionne de préférence par enduction (apport de résine sur une nappe de fibres sèches), et est alimenté par des bobines de fils disposées sur un cantre 20 mécaniquement relié au chariot Comme représenté par la figure 2, la machine comporte également un dispositif de dépose de tissus dans une direction parallèle à l'axe longitudinal du mandrin, de leur imprégnation en résine et de leur maintien sur ledit mandrin. Pour ce faire, ce dispositif comprend un portique 21 positionné perpendiculairement à l'axe longitudinal dudit mandrin et pouvant se déplacer longitudinalement sur des rails 22 disposés de part et d'autre du mandrin 4 selon axe Z. Afin de pouvoir utiliser des largeurs standards de tissu, le dispositif de dépose de celui-ci comporte deux rouleaux 23 et 24 positionnés de part et d'autre d'une génératrice du mandrin 4. En fin de dépose, le tissu est découpé automatiquement par un disque se déplaçant transversalement. On prévoit également une passerelle 25 d'accès au portique 21 afin de pouvoir effectuer une inspection de la depose ainsi que le chargement des rouleaux de tissus. Enfin, la machine de fabrication de la structure en matériau composite comporte une passerelle de visite 26 située entre mandrin 4 et le chariot 14 qui permet à un opérateur d'accéder à ladite machine afin d'effectuer opérations de surveillance et d'intervention. De plus, des barrières de protection 27 avec des portes de sécurité (non représentées) interdisent l'accès pendant le fonctionnement la machine, et une armoire électrique avec un pupitre principal 28 permet de piloter machine, notamment par commande numerique. Cette machine est donc équipée cinq axes de mouvement qui permettent une dépose des fibres sur toute la surface mandrin afin d'obtenir un recouvrement homogène et uniforme de ce dernier. Une commande numérique peut également gérer coordination des différents mouvements de translation et de rotation effectués par les éléments de machine et dont les axes sont les suivants - l'axe de rotation du mandrin 4, - l'axe B de rotation de la tête de dépose 16, - l'axe X de translation longitudinale du chariot 14, - l'axe Y de plongée du bras de dépose 15, et - l'axe Z de translation longitudinale portique 21 de drapage. Les axes X et Y sont de préférence respectivement parallèle et perpendiculaire à l'axe A. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, le dispositif de dépose des tissus comporte également des moyens empêchant la formation de plis sur le tissu déposé. Ces moyens sont constitués par au moins une ligne 34 de rouleaux en contact avec la surface du mandrin. Selon encore une autre caractéristique avantageuse de l'invention, un chariot de tourillonnage 35 porteur d'une bobine régulée en tension circule sur un rail de guidage attaché au portique 21 de manière à déposer un fil de maintien simultanément à la dépose du tissu. La dépose de ce fil a pour avantage de maintenir le tissu en position longitudinale et de contenir sa gravité pendant l'opération d'enroulement suivante. En fin de dépose, ce peut être coupé et ligaturé manuellement. La présente invention telle décrite precédemment offre de multiples avantages, notamment celui d'obtenir une structure en matériau composite possédant des propriétés mécaniques améliorées associées à une masse limitée, un grand confort dynamique et acoustique, des propriétés d'isolation et un coût limité par l'utilisation de matériaux économiques (fibres et résine) tout en évitant problèmes de corrosion. I1 demeure bien entendu que la présente invention n est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés ci-dessus, mais qu'elle en englobe toutes les variantes. En particulier, le procédé selon l'invention peut être appliqué à tout type de structure de révolution de dimensions importantes qui nécessitent l'utilisation de matériaux composites, notamment pour les véhicules ferroviaires, les fuselages d'avion ou les structures aéronautiques et aérospatiales en général. REVENDICATIONS 1 - Procédé d'élaboration d'une structure en matériau composite notamment pour véhicules ferroviaires, caractérisé en ce qu'il consiste à s - réaliser un squelette (1) constitué de préférence de deux demi-ossatures (2, 2'), - fixer des panneaux (3) en mousse alvéolaire ou analogue entre des montants dudit squelette, - effectuer un enroulement filamentaire de fibres et de résine sur un mandrin (4) de gabarit adapté audit squelette ainsi qu'un renforcement longitudinal par une dépose de tissu afin de réaliser une première peau (5) recouvrant ledit mandrin, - positionner le squelette (1) sur ladite première peau du mandrin (4), - réaliser une deuxième peau (8) recouvrant la structure obtenue par enroulement filamentaire de fibres et de résine et dépose longitudinale de tissu sur panneaux (3) dudit squelette, - effectuer une polymérisation en étuve, - tronçonner les extrémités de la structure, - et réaliser le retrait dudit mandrin 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, après avoir réalisé ledit retrait dudit mandrin, on fixe des éléments (9) à chaque extrémité de la structure de manière à effectuer un raccord avec d'autres structures similaires et on effectue un détourage d'ouvertures (10) du type fenêtres, portes ou similaires. 3 - Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite dépose de tissu est réalisée par enduction d'une résine sur ledit tissu. 4 - Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite dépose de tissu est réalisée par projection d'une résine sur ledit tissu. 5 - Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend - des premiers moyens (12) permettant la mise en rotation d'un mandrin (4) sensiblement cylindrique autour de son (A) de révolution, des seconds moyens (19) permettant de réaliser enroulement filamentaire sur ledit mandrin, et des troisièmes moyens (21) permettant d'assurer dépose longitudinale de tissu sur ledit mandrin. 6 - Dispositif selon la revendication caractérisé en ce que lesdits seconds moyens sont aptes a déplacer à la fois parallèlement et perpendiculairement audit axe de révolution dudit mandrin respectivement selon second (X) et un troisième (Y) axes et peuvent être en rotation autour dudit troisième axe (Y). 7 - Dispositif selon l'une des revendications 5 6, caractérisé en ce que lesdits troisièmes moyens peuvent se déplacer dans une direction parallèle audit axe révolution dudit mandrin. 8 - Dispositif selon l'une quelconque revendications 5 à 7, caractérisé en ce que lesdits troisièmes moyens comportent au moins une ligne de rouleaux contact avec la surface dudit mandrin afin d'empêcher formation de plis sur le tissu déposé. 9 - Dispositif selon l'une quelconque revendications 5 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte des quatrièmes moyens permettant de déposer un fil de maintien simultanément à ladite dépose de tissu. 10 - Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que lesdits quatrièmes moyens comportent chariot porteur d'une bobine régulée en tension circulant sur un rail de guidage attaché aux troisièmes moyens.