Brevet FR2832990A1 — publié le 20030606

La présente invention concerne la fabrication de tubes évidés en matériau composite. Plus précisément, l'invention concerne un dispositif de fabrication par enroulement filamentaire de tubes évidés en matériau composite, le dispositif comprenant un mandrin destiné à être mis en rotation pour recevoir un enroulement filamentaire. L'invention concerne également un procédé de fabrication par enroulement filamentaire, mettant en oeuvre un dispositif de fabrication tel que mentionné ci-dessus. L'invention concerne enfin des tubes évidés en matériau composite fabriqués par un tel dispositif, et/ou par un tel procédé. On précise que dans ce texte, la définition d'un"tube"couvre non seulement une pièce ayant une section transversale creuse constante (et définissant ainsi au sens commun un tube rond, carré ou de toute autre forme), mais également une pièce dont la section transversale creuse peut avoir des dimensions qui varient lorsqu'on décrit l'axe longitudinal du tube, pour former par exemple un tronçon de cône. De la manière la plus générale, non seulement les dimensions des sections transversales du tube peuvent varier, mais il en est de même pour la géométrie de ces sections transversales. Dans tous les cas, le tube est essentiellement formé d'une paroi qui entoure une cavité centrale. La cavité centrale peut être débouchante aux deux extrémités du tube, ou à une extrémité seulement. Et l'invention concernant plus particulièrement les "tubes évidés", on précise en outre que de telles pièces portent, dans leur paroi qui entoure la cavité centrale du tube, des évidements traversants qui mettent en communication l'extérieur du tube avec sa cavité centrale. De tels tubes évidés sont extrêmement répandus pour tous types d'applications ; ils peuvent avoir des géométries et des dimensions diverses. La figure 1 montre un exemple particulier de mise en oeuvre d'un tel tube 10, qui a dans cet exemple une forme cylindrique à base circulaire. On remarque que ce tube 10 comporte dans sa paroi une pluralité d'évidements 100, qui mettent en communication l'extérieur du tube avec la cavité interne 101 que la paroi délimite. Les évidements 100 sont destinés à admettre le passage d'un fluide que l'on désire filtrer au travers de la cartouche. Dans l'exemple particulier de la figure 1, le tube 10 constitue un élément support interne d'une cartouche filtrante. Sur la vue éclatée de la figure 1, cette cartouche filtrante 20 comprend également un élément 21 en forme de manchon, destiné à entourer l'élément support constitué par le tube 10 et à assurer ainsi la durée de vie de la cartouche, ainsi que l'efficacité de filtration. La cartouche est fermée à ses deux extrémités par deux fiasques 22a et 22b. Concernant maintenant plus particulièrement l'élément support 10, cet élément est soumis à deux contraintes de conception qui sont antagonistes : * d'une part, il est souhaitable de définir un taux de vide (c'est-à-dire un rapport entre les surfaces additionnées des évidements 100, et la surface totale de la paroi de l'élément support) le plus important possible, afin de limiter la perte de charge associée au passage du fluide à filtrer dans la cartouche, . mais d'autre part, l'élément support doit avoir des caractéristiques mécaniques élevées (particulièrement en termes de rigidité et de résistance) en particulier pour résister à la pression du fluide à filtrer (pression externe dans le cas où le fluide circule de l'extérieur vers l'intérieur de la cartouche). Une première solution connue pour fabriquer de tels éléments supports de cartouches filtrantes consiste à réaliser ledit élément support en un matériau plastique, par extrusion ou par moulage. Mais de tels éléments supports en plastique ne résistent pas aux pressions importantes que l'on rencontre dans de nombreuses applications (par exemple en hydraulique, où il est courant d'avoir des spécifications de pression de l'ordre de 200 bars). En outre, le matériau plastique de l'élément support peut ne pas être compatible du point de vue physico-chimique avec le fluide à filtrer. Et il en est de même pour les conditions de température auxquelles l'élément support est soumis, les propriétés mécaniques du plastique se dégradant au-delà d'une température de l'ordre de 80 C. Les limitations mentionnées ci-dessus ne sont pas exclusives de l'application particulière du tube évidé employé comme élément de support d'une cartouche filtrante : elle peuvent concerner différentes applications des tubes évidés. Il est également connu de réaliser des tubes évidés (servant en particulier d'éléments support), en métal. On obtient ainsi des tubes évidés présentant des caractéristiques et des performances mécaniques beaucoup plus élevées, permettant en particulier de résister à des pressions relativement importantes. Et les problèmes de compatibilité mentionnés ci-dessus à propos du plastique sont également résolus dans une certaine mesure par ce deuxième type de fabrication connu. Mais si les performances des tubes métalliques peuvent être intéressantes, ces tubes ont généralement un poids élevé, ce qui constitue un autre inconvénient. En outre, l'utilisation d'un matériau métallique pour réaliser l'élément support pose des problèmes pour le recyclage de cette pièce au terme de son utilisation, le métal n'étant pas incinérable. Pour tenter de palier aux inconvénients précités, on a tenté de recourir aux matériaux composites pour fabriquer des tubes évidés. De tels matériaux permettent en effet généralement d'obtenir des compromis (performances mécaniques/poids) très intéressantes. Et ces matériaux sont généralement incinérables, ce qui facilite leur recyclage. Il est ainsi connu de fabriquer des tubes évidés en enroulant autour d'un mandrin tournant des filaments ou fibres recouverts d'une résine afin de constituer un tube en matériau composite. Pour ménager les évidements du tube, on prévoit dans ce cas de laisser libres les espaces correspondants auxdits évidements, lors de l'enroulement des fibres. Après enroulement, la pièce est durcie. Mais on observe qu'une limitation importante de ce type de procédé est qu'il est impossible de : * réaliser un tube comprenant un nombre significatif d'enroulements filamentaires superposés les uns aux autres autour du mandrin (de manière à donner au tube l'épaisseur-et donc les caractéristiques mécaniques- désirée), tout en maîtrisant finement la répartition et la taille des évidements. En effet, s'il est possible de réaliser un tube"monocouche"comprenant une seule couche de filaments (ou un très petit nombre de couches superposées), dès que l'on cherche à augmenter le nombre de couches, lesdites couches ont tendance à glisser les unes par rapport aux autres lors de l'enroulement, ce qui provoque le recouvrement au moins partiel des espaces correspondant aux évidement désirés. Un tel phénomène de"colmatage"des espaces correspondant aux évidements souhaités rend impossible une fabrication de tubes multicouches (c'est-à-dire comportant en enroulement un nombre de couches quelconque désirées, superposées les unes aux autres), dans lequel on maîtrise finement la répartition et la taille des évidements. Or, une telle maîtrise est essentielle dans de nombreuses applications. Ceci est vrai en particulier dans l'exemple du tube évidé utilisé comme élément support d'une cartouche filtrante. En effet, c'est la répartition et la taille de ces évidements qui va déterminer pour une large part les performances de la cartouche filtrante. Et le phénomène de colmatage évoqué ci-dessus rend délicate, voire impossible, la fabrication de tubes évidés multicouches dont les évidements sont de petites dimensions. Or il serait souhaitable de pouvoir fabriquer de tels tubes à petits évidements : reprenant le cas des cartouches filtrantes, on obtient des performances particulièrement intéressantes avec de nombreux évidements de petit diamètre. Ainsi, la fabrication en matériau composite de tubes évidés est limitée à des tubes monocouches. Il existe donc un besoin pour réaliser des tubes évidés en composite, comportant un nombre quelconque d'enroulements superposés, en particulier afin de pouvoir fabriquer des pièces et résistant à de fortes pressions. Le but de l'invention est de répondre à ce besoin. Afin d'atteindre ce but, l'invention propose selon un premier aspect un dispositif de fabrication par enroulement filamentaire de tube évidé en matériau composite, le dispositif comprenant un mandrin destiné à être mis en rotation pour recevoir un enroulement filamentaire, caractérisé en ce que la ceinture du mandrin comporte des éléments saillants destinés à définir les évidements du tube. Des aspects préférés, mais non limitatifs du dispositif selon l'invention sont les suivants : le mandrin comprend un élément saillant disposé à l'emplacement de chaque évidemment désiré du tube, le mandrin comprend un coeur rigide monté à rotation sur un axe parallèle à l'axe du dispositif, et une enveloppe déformable, l'enveloppe déformable porte lesdits éléments saillants, il est prévu entre le coeur et l'enveloppe du mandrin un moyen lubrifiant destiné à rendre le coeur et l'enveloppe solidaires en rotation, et séparables en translation selon l'axe du dispositif, l'enveloppe est réalisée en élastomère. Selon un deuxième aspect, l'invention propose un procédé de fabrication par enroulement filamentaire, mettant en oeuvre un dispositif de fabrication tel que mentionné ci-dessus, comprenant les étapes consistant à : 0 Enrouler des fibres autour du mandrin, 0 Imprégner les fibres de résine, 0 Durcir le tube, les deux premières étapes étant réalisées dans un ordre quelconque. Des aspects préférés, mais non limitatifs du procédé selon l'invention sont les suivants : le procédé comprend les étapes suivantes : 0 Enfilage d'une enveloppe sur un coeur de mandrin, 0 Enroulement des fibres autour du mandrin, 0 Imprégnation des fibres par une résine, 0 Durcissement du tube, 0 Retrait du coeur de mandrin, 0 Retrait de l'enveloppe, les deuxième et troisième étapes étant réalisées dans un ordre quelconque. Selon un troisième aspect, l'invention propose un tube composite évidé obtenu par un dispositif, et/ou par un procédé tel (s) que mentionné (s) cidessus. Un tel tube peut avoir une épaisseur comprise entre 1 et 20 mm. Il peut en particulier être un élément support de cartouche filtrante obtenu à partir d'un tube selon tel qu'évoqué ci-dessus. D'autres aspects, buts et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description suivante d'une forme de réalisation de l'invention, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels, outre la figure 1 qui a déjà été commentée ci-dessus en référence à une vue éclatée de cartouche de filtration : ') la figure 2 est une représentation schématique en section transversale d'un dispositif de fabrication de tubes évidés selon l'invention, ' la figure 3 est une représentation schématique en élévation longitudinale du même dispositif, la figure 4 représente schématiquement des tubes évidés multicouches en matériau composite, réalisés selon l'invention. En référence aux figures 2 et 3, on a représenté schématiquement un dispositif 30 de fabrication de tube composite selon l'invention. Plus précisément, on a représenté la partie essentielle de ce dispositif, c'est à dire son mandrin 300 qui est fixé sur l'arbre de sortie 40 d'une machine tournante, de sorte que le mandrin 300 peut être entraîné en rotation par ledit arbre 40. La machine tournante elle-même n'est pas représentée. Le mandrin est destiné à recevoir un enroulement de fibres 50 (par exemple de carbone, mais tout type de fibre pouvant être utilisée dans la fabrication de matériau composites peut être employée). A cet effet, le mandrin est mis en rotation par l'arbre 40. Les fibres seront enroulées autour de la paroi périphérique du mandrin, que l'on nommera sa ceinture. Les fibres 50 auront été préalablement imprégnées de résine (époxy ou autre), pour constituer après durcissement un tube. On précise que cette imprégnation peut également se faire selon toute modalité connue, simultanément avec l'enroulement de chaque couche (chaque couche étant imprégnée lors de son enroulement), ou après l'enroulement d'un certain nombre de couches successives. Le dispositif 30 est associé à des moyens d'alimentation en fibres 50, qui sont de type connu et ne sont pas représentés. Ces moyens sont aptes à se déplacer parallèlement à l'axe longitudinal du mandrin (qui correspond à l'axe de rotation de l'arbre 40), de manière à permettre l'enroulement des fibres 50 sur toute la longueur du mandrin. Et ces moyens permettent également de faire varier à volonté l'angle a que les fibres 50 forment avec l'axe du dispositif. De la sorte, il est possible de modifier en cours d'enroulement cet angle afin de superposer autour du mandrin des nappes de fibres successives ayant différentes orientations (et d'optimiser de la sorte la tenue du tube en fonction du type de contraintes que ce tube est destiné à supporter). On verra en effet qu'un des avantages de l'invention est de permettre de réaliser des tubes évidés multicouches, comprenant un nombre quelconque de couches de fibres superposées en enroulement. Comme représenté plus particulièrement sur la figure 2, la ceinture du mandrin 300 n'est pas uniformément lisse. Au contraire, cette ceinture comporte des picots 310 qui constituent des éléments saillants hors de la ceinture du mandrin, qui est destinée à recevoir l'enroulement de fibres 50. On précise que si la figure 2 ne montre que quelques picots à titre illustratif, il est possible de prévoir toute répartition souhaitée des picots sur la ceinture du mandrin. Typiquement, dans le cas où on souhaite fabriquer un élément support de cartouche filtrante (application illustrée sur la figure 1), on utilise un mandrin dont la ceinture est garnie de picots répartis de manière régulière sur toute ladite ceinture. Les picots peuvent ainsi en particulier entourer complètement la ceinture du mandrin. On cherche en effet généralement pour ce type d'application à obtenir une répartition aussi régulière que possible des évidements dans la paroi de l'élément support. Et comme on va le voir, les picots définissent les emplacements des évidements des tubes composites évidés correspondant à l'invention. Les picots 310 forment ainsi des éléments saillants, qui vont remplir une fonction de guidage des fibres que l'on enroule autour du mandrin. Ce guidage permet d'assurer que la première couche de fibres que l'on enroule laisse libres les emplacements de ces picots. Il permet également de garantir que les couches successives de fibres déposées les unes au-dessus des autres ne glissent pas les unes par rapport aux autres, en venant colmater partiellement ou totalement lesdits espaces que l'on désire laisser dégagés de fibres. Les picots assurent ainsi, en plus de cette fonction de guidage initial, une fonction de maintien des fibres enroulées. Ce maintien est ainsi assuré lors de l'enroulement des couches successives les unes au-dessus des autres, ainsi que lors du durcissement du composite. Il est également assuré lors de l'imprégnation des couches par la résine. La configuration de mandrin à picots constitue ainsi une solution simple et avantageuse pour réaliser des tubes évidés en matériaux composites. Il est possible de prévoir que le mandrin sera réalisé en une seule pièce. Dans ce cas, le matériau du mandrin devra être : . assez rigide pour assurer un bon maintien de l'enroulement des fibres en vue de donner au tube la forme désirée, . mais assez souple pour pouvoir être retiré de l'intérieur du tube, une fois celui-ci durci. Le retrait du mandrin est dans ce cas effectué en rétractant le mandrin-qui présente donc une souplesse suffisante à cet effet. On peut prévoir des moyens de mise en dépression de l'intérieur creux du mandrin pour provoquer cette rétractation du mandrin. Dans une variante avantageuse de l'invention, le mandrin 300 comporte cependant deux parties principales 320 et 330, qui peuvent être séparées. Dans cette variante illustrée sur la figure 2, le mandrin 300 comporte ainsi : * une partie centrale ou coeur 320, qui est rigide (réalisée typiquement en métal, par exemple en aluminium). Ce coeur du mandrin définit la géométrie générale du tube qui sera fabriqué (cylindrique à base circulaire dans l'exemple des figures 2 et 3). Il est rigidement fixé sur l'arbre de sortie 40, de manière à être solidaire en rotation avec lui. On précise que le matériau du coeur doit supporter une éventuelle cuisson sans que ses propriétés mécaniques soient altérées, * une partie périphérique ou enveloppe 330 qui est réalisée de préférence dans un matériau souple. Cette enveloppe 330 a été enfilée à la manière d'une chaussette autour du coeur 320, dont elle recouvre la ceinture. L'enveloppe 330 porte les picots 310, qui sont venus de matière avec elle et constituent ainsi des éléments saillants hors du mandrin. L'enveloppe 330 est réalisée dans une matière : * assez souple pour permettre son enfilage autour du coeur 320 ainsi que son retrait par déformation (aspect qui sera détaillé ci-dessous), * mais assez rigide pour garantir une bonne tenue des picots, * et permettant le retrait facile de l'enveloppe du tube qui sera fabriqué (cette matière doit en particulier adhérer le moins possible à l'intérieur du tube que l'on vient de fabriquer). On pourra ainsi typiquement réaliser l'enveloppe en élastomère, cette famille de matériaux présentant les avantages suivants : * grande souplesse, 'bonne résistance aux contraintes subies lors des manipulations de l'enveloppe (en particulier lors du retrait de l'enveloppe du tube, après durcissement), . faible adhérence à l'intérieur du tube pour faciliter le retrait de l'enveloppe. Un silicone peut ainsi être employé pour réaliser l'enveloppe du mandrin. Pour fabriquer un tube évidé selon l'invention, on enfile l'enveloppe 330 sur le coeur 320 de manière à constituer un mandrin dont la ceinture comporte des éléments saillants constitués par les picots 310. On procède ensuite à la mise en rotation du mandrin. Les fibres 50 sont ensuite enroulées autour du mandrin tournant, selon toute séquence d'enroulement désirée. On pourra comme on l'a dit faire varier l'orientation des couches successives que l'on enroule autour du mandrin. L'imprégnation par une résine est comme on l'a dit réalisée avant, pendant ou après l'enroulement. Dans tous les cas, on aboutit à la constitution d'un tube comportant des évidements aux emplacements des picots 310. Et ces emplacements, ainsi que les dimensions (et même les formes) des évidements sont parfaitement définis par la répartition des picots, respectivement leurs dimensions et leurs formes. Le tube peut comporter le nombre de couches désirées, en fonction des caractéristiques mécaniques recherchées. On procède ensuite au durcissement du tube (par exemple par séchage, et/ou cuisson). Une fois le tube durci, on enlève le coeur 320 du mandrin, par translation selon l'axe du tube (qui est maintenu par ailleurs pendant cette étape). Le coeur ayant été retiré du tube, l'enveloppe 330 demeure solidaire du tube (les picots 310 étant toujours engagés dans les évidements qu'ils ont définis). Afin d'éviter d'entraîner l'enveloppe lors de ce retrait axial du coeur, on dispose de préférence un moyen lubrifiant entre le cour et l'enveloppe. Ce moyen lubrifiant, représenté sous la référence 350 sur la figure 2, peut être réalisé sous la forme d'une feuille d'aluminium de 0.1 mm d'épaisseur qui entoure la ceinture du coeur, ou en disposant de la graisse entre le coeur et l'enveloppe. Et une fois l'enveloppe enfilée sur le coeur ces deux éléments sont solidaires en rotation mais peuvent être séparés lors du retrait axial du coeur. Une fois le coeur dégagé, on enlève l'enveloppe par l'intérieur du tube en la déformant. On peut à cet effet procéder de manière manuelle, ou encore prévoir des moyens auxiliaires tels que des moyens de mise en dépression de l'intérieur de l'enveloppe pour aider à sa rétractation. On peut alors replacer l'enveloppe sur le coeur du mandrin, et procéder à la fabrication d'un nouveau tube. On comprend donc que l'invention permet de réaliser des tubes évidés en composite, avec les avantages suivants : il est possible de réaliser des tubes multicouches-comprenant tout nombre désiré de couches : on peut ainsi fabriquer des tubes présentant de très hautes performances en résistance à la pression par exemple. Le déposant a ainsi fabriqué des tubes multicouches comprenant de l'ordre de 50 couches, et de manière générale des tubes dont l'épaisseur pouvait être comprise entre 1 et 20 mm, les autres qualités du tube réalisé selon l'invention (en particulier maîtrise des évidements et de leurs dimensions) étant conservées, les picots garantissent que les évidements sont parfaitement définis, et qu'aucun colmatage n'intervient, * cette absence de colmatage permet également de réaliser avec une grande précision des évidements de très petite taille, de l'ordre du millimètre (les entraxes entre deux évidements voisins pouvant être de l'ordre de 2 mm), ce qui est particulièrement avantageux par exemple dans des applications de cartouche filtrante, * et la précision avec laquelle on définit les évidements permet également d'augmenter le taux de vide global associé aux évidements, tout en définissant de petits évidements, 'te mandrin est intégralement réutilisable. La figure 3 représente des tubes fabriqués selon l'invention. Ces tubes peuvent ainsi comporter un nombre quelconque de couches de fibres. Ils peuvent également être mis en oeuvre dans des applications diverses, l'application aux cartouches de filtration décrite ci-dessus en détail n'étant pas limitative. REVENDICATIONS 1. Dispositif (30) de fabrication par enroulement filamentaire de tube évidé en matériau composite, le dispositif comprenant un mandrin (300) destiné à être mis en rotation pour recevoir un enroulement filamentaire, caractérisé en ce que la ceinture du mandrin comporte des éléments saillants (310) destinés à définir les évidements du tube. 2. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le mandrin comprend un élément saillant disposé à l'emplacement de chaque évidemment désiré du tube. 3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le mandrin comprend un coeur (320) rigide monté à rotation sur un axe (40) parallèle à l'axe du dispositif, et une enveloppe (330) déformable. 4. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'enveloppe déformable porte lesdits éléments saillants. 5. Dispositif selon l'une des deux revendications précédentes, caractérisé en ce que il est prévu entre le coeur et l'enveloppe du mandrin un moyen lubrifiant destiné à rendre le coeur et l'enveloppe solidaires en rotation, et séparables en translation selon l'axe du dispositif. 6. Dispositif selon l'une des trois revendications précédentes, caractérisé en ce que l'enveloppe est réalisée en élastomère. 7. Procédé de fabrication par enroulement filamentaire, mettant en oeuvre un dispositif de fabrication tel que mentionné ci-dessus, comprenant les étapes consistant à : * Enrouler des fibres (50) autour du mandrin, * Imprégner les fibres de résine, , o Durcir le tube, les deux premières étapes étant réalisées dans un ordre quelconque. 8. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le procédé comprend les étapes suivantes : * Enfilage d'une enveloppe (330) sur un coeur (320) de mandrin, * Enroulement des fibres autour du mandrin, * imprégnation des fibres par une résine, * Durcissement du tube, * Retrait du coeur de mandrin, * Retrait de l'enveloppe, les deuxième et troisième étapes étant réalisées dans un ordre quelconque. 9. Tube composite évidé obtenu par un dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, et/ou par un procédé selon l'une des trois revendications précédentes. 10. Tube selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le tube a une épaisseur comprise entre 1 et 20 mm. 11. Elément support de cartouche filtrante obtenu à partir d'un tube selon l'une des deux revendications précédentes. 12. Cartouche filtrante comprenant un élément de support selon la revendication précédente.