Brevet FR2822749A1 — publié le 20021004

La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un arbre d'entraînement tubulaire rigide en torsion et en flexion, en matière synthétique composite constituée d'au moins plusieurs bandes préimprégnées enroulées sur une broche d'enroulement extractible, selon lequel l'arbre d'entraînement tubulaire est obtenu en chauffant et en faisant durci les couches enroulées de bandes imprégnées. De nombreuses installations et machines comportent un moyen d'entraînement et une ligne de transmission pour transmettre le couple de sortie à l'utilisateur. L'utilisateur peut être de différents types comme par exemple une roue, un cylindre, une hélice, un rotor. Le moyen utilisateur n'est pas limité à un certain type. Or, on considère une ligne de transmission ayant au moins un arbre d'entraînement. Il existe également des transmissions ou des moyens de transmission de force. L'arbre d'entraînement est fabriqué en général en métal et sa géométrie est définie suivant le travail d'entraînement à fournir. On considérera ci-après un arbre d'entraînement de géométrie inchangée et dont la vitesse nominale relativement élevée doit permettre une transmission suffisante de puissance tout en se situant en dessous d'une vitesse de rotation critique et ayant ainsi dans son domaine d'application une rigidité en torsion et en flexion relativement élevée et en même temps un couple de torsion très peu sensible aux incidents. Cette exigence d'un arbre d'entraînement non critique vis-àvis des tolérances liées à des incidents résulte de raisons de sécurité personnelles et techniques et des coûts d'investissement élevés. La tolérance vis-à-vis des incidents nécessite qu'un endommagement déterminé de l'arbre d'entraînement, par un exemple un choc mécanique sur l'arbre d'entraînement d'une amplitude de 25-50 joules, permette à l'arbre d'entraînement de continuer de fonctionner (il s'agit du travail fourni par le choc d'une masse de 2,50 kg tombant d'une hauteur de 1 m, c'est-àdire 25 joules). Le dommage caché ou visible ne doit pas mettre en danger la résistance à la torsion de l'arbre d'entraînement pour sa tolérance de tenue aux incidents. L'exigence d'une tolérance vis-à-vis des incidents pour un arbre d'entraînement est nécessaire lorsque cet arbre est libre vis-à-vis de l'environnement, c'est-à-dire qu'il n'est pas encapsulé et qu'il peut par exemple recevoir le choc d'une pierre. Cette exigence existe par exemple pour l'arbre d'entraînement du rotor arrière d'un hélicoptère. Un arbre d'entraînement ayant une vitesse de rotation nominale inférieure à la vitesse de rotation critique sera appelé arbre sous critique . Un tel arbre sous critique sera examiné ci-après. Pour arriver à une très grande rigidité en flexion, on pourrait amplifier la masse de l'arbre d'entraînement. Cela se traduirait également par des effets avantageux vis-à-vis des tolérances aux incidents. La conséquence serait un rapprochement entre la vitesse de rotation nominale et la vitesse de rotation critique. La vitesse de rotation critique correspond à une vitesse de rotation critique en flexion pour l'arbre d'entraînement comme cela est développé dans le document [1] ci-après : D. Beitz, K. -H. Grote, Dubbel-Taschenbuch für den Mas- chinenbau 19, édition refondue complètement, Springer-Verlag, 1997, page B40, paragraphe 4. 1. 5. Bien que cela ne soit pas souhaité, l'arbre d'entraînement doit avoir une masse faible et une rigidité en flexion élevée pour aboutir à une construction légère, c'est-à-dire que l'arbre doit être relativement mince. Cela correspond à des exigences techniques antagonistes. De ce point de vue, un tel arbre d'entraînement est réalisé comme arbre creux pour réduire au minimum sa masse. Mais pour cet arbre d'entraînement il n'est pas envisagé d'abaisser la vitesse de rotation nominale pour améliorer la tolérance aux incidents par l'augmentation de la masse et en même temps faire travailler cet arbre comme arbre sous critique . Dans de nombreuses applications dans la construction mécanique et la construction d'installations, on recherche une construction légère et néanmoins une grande rigidité en flexion et une tolérance élevée vis-à-vis des incidents pour un arbre d'entraînement sous critique . Pour éviter l'inconvénient d'une masse importante, il est également connu de fabriquer des arbres d'entraînement en une matière composite renforcée par des fibres. Selon un procédé d'enroulement on enroule un fil sans fin préimprégné de résine, par exemple en faisant commuter le fil entre deux repères d'écartement d'une broche d'enroulement. L'expression commutation de l'industrie textile concerne le guidage d'un fil à enrouler à l'aide d'une guide-fil dans la direction axiale, le long d'un organe d'enroulement (broche d'enroulement) entre les deux repères d'éloignement, écartés l'un de l'autre. Pour cela, on forme plusieurs cou- ches de fils. Ensuite on fait durcir les couches de fils ainsi enroulés. La résine et le durcisseur constituent la matière de la matrice. Le document [2] Fr. O. Schwarz, Glasfaserverstärkte Kunststoffe Vogel-Verlag, Würzburg 1975, pages 83-90 décrit la fabrication de pièces tubulaires par l'enroulement de fibres techniques comme des fibres de verre et/ou des fibres de carbone. L'expression fibres dési- gne une fibre sans fin, c'est-à-dire un fil. Les fibres techniques sont des fibres dans des matières différentes des fibres naturelles comme par exemple la laine ou le coton. Il apparaît que des procédés d'enroulement nécessaires dépendent en général de la géométrie de la pièce tubulaire à enrouler, de leurs caractéristiques de construction et ensuite des contraintes mécaniques prévisibles. Le choix des étapes de procédé dans l'enroulement d'une pièce tubulaire est défini suivant l'application de la pièce tubulaire. Selon le document [2], page 89, l'enroulement de monofil (en filament) ou de cordons de fibre (rovings) constitue l'élément principal. Le procédé d'enroulement permet de donner au tube sa rigidité en flexion et en torsion. Un tel tube fabriqué par un procédé d'enroulement d'un monofil ou d'un cordon de fibre ne remplit toutefois par les exigences concernant un arbre d'entraînement tolérant vis-à-vis des incidents. Même la fabrication de différents tubes tissés de leur imbrication, de l'imprégnation avec de la résine et un durcisseur et ensuite de la prise sont connus pour fabriquer un arbre d'entraînement. La difficulté réside dans la possibilité de reproduction complète des caractéristiques de qualité sans nécessiter la mise en oeuvre de moyens exceptionnels. La mise en place des tubes de tissu présente le risque que l'orientation des fibres puisse être modifiée accidentellement sans être reconnu. Cela ne permet pas d'obtenir un arbre d'entraînement offrant des caractéristiques de tolérance aux incidents suffisantes. Le document [3] DE 19 23 179 U concerne un arbre tubulaire pour transmettre les forces d'entraînement à un véhicule automobile. L'arbre d'entraînement est fabriqué en matière plastique rigide en flexion. Les fibres ou les rubans constituant des moyens de renforcement sont installés suivant un tracé en spirale sur l'arbre. Le document [3] décrit une technique connue du spécialiste de fabrication de matières composites de fibres ; cette technique consiste à imprégner le moyen de renforcement dans un outil de moulage avec de la matière plastique liquide. Après refroidissement, la matière plastique (ré- sine époxyde ou polyester) prend et le moyen de renforcement est intégré dans la matière plastique. La matière plastique sert de support du moyen de renforcement. Le document [3] représente également l'utilisation de tissu comme moyen de renforcement dans un arbre tubulaire. Le document [3] n'utilise pas de couche de préimprégnation mais des couches d'insert en forme de tissu dans la paroi tubulaire ([3], pages 3, 22-24). La solution connue présente une tenue aux tolérances d'incidents, insuffisante pour la construction d'hélicoptères. Le document [4] DE 38 22 417 C2 concerne un procédé de fabrication d'un arbre pour transmettre des forces de torsion. Selon ce document, le problème consiste à simplifier la fabrication de l'arbre. Le do- cument [4] enseigne la fabrication d'un arbre utilisant la technique de l'enroulement d'une matière composite à base de fibres. Le document [4], figure 3, montre un arbre fabriqué en une nappe de fibres imprégnées ou nappe préimprégnée. La nappe préimprégnée peut être enroulée en spirale. Cette solution n'offre toutefois pas de tenue aux incidents, suffisante, comme cela est nécessaire pour un hélicoptère. L'état connu de la technique a l'inconvénient de laisser subsister le risque de formation de plis par exemple dans l'outil de presse (par exemple une poche à vide). Il est de plus connu pour le spécialiste des matières composites à base de fibres, que les couches de matière tissée jouent le rôle d'un moyen de fixation dans l'outil de presse, qui n'exclut toutefois pas la formation de plis. La formation de plis correspond à une forte déviation locale de l'orientation idéale des fibres dans le tissu. L'influence sur la rigidité en torsion de l'arbre d'entraînement constitue un inconvénient. La présente invention a pour but de perfectionner un arbre d'entraînement fabriqué en matière composite à base de fibres, de forme tubulaire, rigides en torsion et en flexion, utilisable comme arbre travaillant dans le régime sous critique , en l'améliorant pour arriver à une tolérance aux incidents, élevée, vis-à-vis de la tenue à la torsion et néanmoins d'aboutir à un procédé de fabrication économique. A cet effet, l'invention concerne un procédé du type défini ci-dessus, caractérisé en ce qu'on désaère et on densifie uniformément les bandes préimprégnées enroulées sur la broche par un enroulement consécutif en spirale d'une bande thermoplastique tendue, et après avoir dé- roulé la bande thermoplastique on enroule d'autres bandes préimprégnées qui sont elles-mêmes ensuite désaérées et uniformément densifiées. L'arbre d'entraînement est formé d'une matière composite à base de fibres comprenant au moins plusieurs bandes enroulées par exemple en spirale, en matière préimprégnée. La matière préimprégnée est préimprégnée avec une résine et un durcisseur tout en étant à l'état d'une bande tissée ou d'une couche tissée non encore durcie. La matière préimprégnée possède une orientation définie des fibres. Selon un développement, la bande préimprégnée peut être formée d'une couche préimprégnée à 0 /90 . Mais il est également possible de réaliser la bande préimprégnée avec une couche préimprégnée à +/45'ou encore une couche multiaxiale. La dernière bande de tissu thermoplastique sera également dévidée. La répétition multiple de ce procédé de fabrication assure, pendant la fabrication, une augmentation significative de la tolérance aux incidents. De manière avantageuse, on chauffe régulièrement la broche d'enroulement, pendant l'opération d'enroulement, à une température de l'ordre d'environ 60 à 70 C. Cela permet, selon le procédé de l'invention, lorsqu'on traire la matière préimprégnée avec la bande de tissu thermoplastique, de tenir la matière préimprégnée dans un état de coupe, avantageux. Pendant l'évacuation de l'air et la compression des couches préimprégnées à l'aide de la bande tissée thermoplastique, on dévide la bande de tissu thermoplastique sous une précontrainte. Cette précontrainte de la bande de tissu thermoplastique se détermine de manière empirique. La précontrainte conduit alors uniquement à une variation de forme élastique de la bande de tissu thermoplastique de sorte qu'après le dévidage de la bande de tissu thermoplastique, on risque un retour (effet de retour) à la forme d'origine de la bande de tissu. La précontrainte doit être réglée pour qu'aucun effet de cheminement n'apparaisse dans la couche de matière préimprégnée, risquant de mettre en évidence les ondulations de la couche préimprégnée de la bande de tissu thermoplastique. Le temps de séjour de la bande de tissu thermoplastique enroulée se détermine de manière empirique. Déjà avant d'atteindre un enroulement complet on peut de nouveau dévider la bande de tissu thermoplastique. Notamment par la bande de tissu thermoplastique enroulée avec précontrainte il est possible d'exprimer la résine en excédent et d'aspirer cet excédent alors que la résine qui subsiste et le tissu continue- ront d'être comprimés. On suppose que cette étape de procédé permet une augmentation significative de la résistance vis-à-vis des incidents. Dans ce sens, on utilise des couches préimprégnées à mailles très étroites, offrant une très grande accumulation de noeuds par unité de surface dans le tissu. Les noeuds pris dans le sens de la transmission sont les points d'appui entre les fils tissés. Le procédé peut en outre être développé avec une préimprégnation isotrope et précomprimée. Il est en outre proposé lors de l'enroulement d'une autre bande de matière préimprégnée, de décaler son origine à la périphérie de 1800 par rapport à l'extrémité de la bande de matière préimprégnée précédente. On évite ainsi les arêtes et des répartitions irrégulières des masses le long de la périphérie. L'invention permet la fabrication d'un arbre d'entraînement, tubulaire, rigide en torsion et en flexion et en même temps tolérant vis-àvis des incidents. Cela permet d'obtenir un arbre d'entraînement rigide en flexion qui offre également une résistance suffisamment élevée pour les chocs du point de vue de la résistance en torsion. On a constaté que la structure des noeuds du laminat de tissu pouvait influencer de manière positive la tolérance vis-à-vis des incidents. Le procédé de fabrication est un procédé d'enroulement. Il permet de réaliser un arbre ayant une bonne forme circulaire et de plus un débit massique relativement élevé. Pour l'enroulement, il suffit d'un simple tour avec une broche d'enroulement. Le procédé de fabrication selon l'invention ne demande ainsi que de faibles investissements. La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation. Cet exemple est appliqué aux avions. Mais cet exemple ne signifie pas que l'invention soit limitée au domaine de l'aéronautique. A titre d'exemple, pour les hélices ou pales, notamment d'hélicoptères, au moins une turbine motrice fournit le couple à une transmission principale qui attaque un arbre d'entraînement, l'arbre principal du rotor, pour lui communique le couple, ainsi qu'un second arbre d'entraînement, l'arbre du rotor arrière qui transmet le couple vers le rotor arrière. En particulier l'arbre du rotor arrière est exposé à des contraintes mécaniques nombreuses, notamment de flexions, du fait du mouvement dynamique du bras arrière pendant le vol. L'arbre du rotor arrière est un arbre de torsion tubulaire, rigide, qui peut également absorber les flexions. Cet arbre est installé, par exemple pour certains types d'hélicoptères, librement sur la flèche arrière, c'est-à-dire que l'arbre n'est pas encapsulé. L'arbre du rotor arrière fonctionne comme arbre sous critique)). L'arbre du rotor arrière est formé de plusieurs segments d'arbre reliés les uns aux autres par des brides. Le rotor arrière relié à son arbre sert à compenser le couple du rotor principal et à permettre la commande autour de l'axe vertical du rotor. Pour l'arbre du rotor principal et pour l'arbre du rotor arrière il existe des exigences de qualité physique, poussées. En particulier l'arbre du rotor arrière doit offrir une résistance suffisante vis-à-vis des chocs pour la torsion, c'est-à-dire une tolérance élevée vis-à-vis des incidents. Selon l'invention, sur une broche d'enroulement en rotation, on enroule une matière préimprégnée ou un laminat de tissu isotrope. Cette matière préimprégnée est une surface de tissu que l'on peut enrouler comme ruban. On peut utiliser la position 0 /90 et/ou +/-45 pour la position de la couche préimprégnée. Une telle couche préimprégnée est précomprimée avant son enroulement sous vide. Cela permet d'améliorer l'état quasi isotrope de la couche préimprégnée. Cela se traduit par l'évacuation de l'air et une première aspiration de la matrice. On réduit ainsi la formation de creux et le risque de plis. De plus, cela réduit le temps de polymérisation de la couche préimprégnée et de stabilisation de l'orientation des fibres. Une couche préimprégnée ainsi préparée est enroulée sur la broche d'enroulement préchauffée. La largeur de la couche préimprégnée peut correspondre à la longueur de la broche d'enroulement ; toutefois la largeur de la couche préimprégnée peut également être inférieure à la longueur de la broche d'enroulement. Dans ce dernier cas, la couche préimprégnée à enrouler doit être guidée dans la direction axiale le long de la broche d'enroulement. Après quelques tours, on dépose l'extrémité de la couche préimprégnée par-dessus le début de cette couche préimprégnée. Les bandes préimprégnées, enroulées, donnent, comme le montre une vue en coupe, des couches préimprégnées. Plusieurs couches préimprégnées forment un tissu. Par l'enroulement des bandes préimprégnées on respecte de manière conséquente l'orientation des fibres du tissu. Selon une autre étape, par exemple après 2 ou 4 préimprégnations (cela correspond à environ 4 à 8 couches préimprégnées), on les enroule avec une bande de tissu thermoplastique précontraint, de manière définie. Suivant les différentes influences comme le diamètre des cylin- dres, la température entre autre, on peut avoir une précontrainte de la bande de tissu thermoplastique allant jusqu'à 50 N/100 N. Ces valeurs se déterminent de manière empirique. On évite un effet de cheminement dans la couche préimprégnée. Cette bande de tissu thermoplastique utilise l'effet de rappel des thermoplastiques pour la déformation élastique. Il en résulte un nouveau précompactage de la couche préimprégnée. Les couches préimprégnées sont vidées de l'air et ensuite on a une nouvelle aspiration de la matrice et un compactage. Le but de cette étape opératoire est de réduire encore plus le chemin de polymérisation, de réduire encore plus le risque de plis et la formation de creux. On stabilise également une nouvelle fois l'orientation des fibres dans la couche préimprégnée. La bande de tissu thermoplastique est enlevée directement après l'enroulement complet et/ou un court temps de séjour (quelques minutes) en procédant au déroulement. Selon une autre étape du procédé, on enroule une autre bande préimprégnée. L'enroulement se fait de façon que le début de cette couche préimprégnée soit décalé de 1800 due l'extrémité de la couche précédente. Lorsqu'on enroule la couche préimprégnée, on forme son début avec une rotation complète dans sa nouvelle position. Le nombre de couches à appliquer dépend du dimensionnement souhaité du futur arbre d'entraînement. L'une des deux couches préimprégnées enroulées jusqu'alors peut par exemple être une couche préimprégnée à 0 /90 décisive pour obtenir une rigidité en flexion, suffisante. L'autre couche préimprégnée peut être une couche préimprégnée à +/-450, qui donne la rigidité en torsion nécessaire au futur arbre. Pour augmenter la rigidité en flexion, selon une autre étape du procédé, on peut enrouler sur la broche une couche préimprégnée, unique, à fibres de carbone. Ensuite, on enroule une couche préimprégnée fibres de verre/tissu. On arrive ainsi à une protection de la couche préimprégnée uni-fibres de carbone. De plus, on améliore la détection des incidents. L'enroulement d'un tissu d'arrachage (tissu auxiliaire) prolonge l'évacuation de l'air exsudation, de la matrice et la compression. La broche d'enroulement est introduite avec l'enroulement préimprégné dans une enveloppe de pressage en silicone ; cette enveloppe de pressage appliquée sur la broche d'enroulement entoure celle-ci de manière radiale. A l'aide de cette enveloppe de pressage en silicone on peut réaliser une répartition de pression régulière le long de l'ensemble de la broche d'enroulement. Cela permet d'influencer l'obtention d'une épaisseur de paroi régulière pour l'arbre d'entraînement, ce qui donne une qualité de laminage élevée et de faible balourd. La broche d'enroulement occupée de manière complète, avec l'enveloppe d'enroulement en silicone est ensuite placée dans une enveloppe à vide ; par l'évacuation de l'air de l'enveloppe de vide, l'enveloppe élastique (chemin de ventilation) s'applique par une liaison de forme contre l'enveloppe de pressage. On réalise ainsi une pression régulière vis-à-vis de l'enveloppe de pressage. Ce pressage reproduit cette pression sur la broche d'enroulement occupée complètement. Il n'y a pas d'autres influences des couches de préimprégnation. On peut supprimer le cas échéant l'utilisation d'une enveloppe de pressage. La broche d'enroulement complètement chargée qui se trouve dans l'enveloppe sous vide est placée pour durcir dans les couches préparatoires d'un four de traitement thermique. En respectant une température nécessaire, on traite thermiquement les couches de pré-résine selon une durée de séjour dans le four et l'utilisation du procédé de refroidissement. Pendant l'arrêt de la broche d'enroulement dans l'enveloppe sous vide et dans le four de traitement thermique, la pression d'air au niveau des installations de pression sera augmentée régulièrement à partir de l'extérieur à travers l'enveloppe de pressage par une broche d'enroulement, régulière, effectuant un mouvement pendulaire de l'intérieur à travers la zone pendulaire extérieure. La broche complètement chargée est prise du four de traitement thermique, pour être refroidie et être séparée de l'enveloppe sous vide et de l'enveloppe de pressage. Ensuite on dégage le tube traité de la broche d'enroulement. Cela permet d'enlever le tissu déchirable et de couper le tube à la longueur voulue. Les paramètres, longueurs, cintrages, épaisseurs de paroi et masses sont mesurés. Lorsqu'on atteint les paramètres souhaités, l'arbre d'entraînement fourni par la matière composite de fibres de verre est prêt au montage. L'arbre d'entraînement ainsi fabriqué sur la base d'une matière composite de fibres constitue un arbre d'entraînement acceptant les tolérances. On réalise ainsi un arbre d'entraînement rigide en flexion qui donne également une résistance suffisante de l'arbre de torsion en cas d'incident de choc. L'enroulement d'une couche préimprégnée isotope précomprimée donne, contrairement à la technique d'enroulement de fils, une structure de noeuds plus fine qui améliore la tolérance aux incidents, c'est-à-dire améliore le rebondissement (comportement à l'impact). Le tissu à mailles étroites de la matière préimprégnée assure une teneur en fibres relativement élevée et une forte accumulation de noeuds. La construction de la position en spirale pour l'arbre d'entraînement améliore en plus le comportement vis-à-vis des impacts. REVENDICATIONS 1 ) Procédé de fabrication d'un arbre d'entraînement tubulaire rigide en torsion et en flexion, en matière synthétique composite constituée d'au moins plusieurs bandes préimprégnées enroulées sur une broche d'enroulement extractible, selon lequel l'arbre d'entraînement tubulaire est obtenu en chauffant et en faisant durci les couches enroulées de bandes imprégnées, caractérisé en ce qu' on désaère et on densifie uniformément les bandes préimprégnées enroulées sur la broche par un enroulement consécutif en spirale d'une bande thermoplastique tendue, et après avoir déroulé la bande thermoplastique on enroule d'autres bandes préimprégnées qui sont elles-mêmes ensuite désaérées et uniformément densifiées. 2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la bande préimprégnée est isotrope et précomprimée. 3 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la bande préimprégnée a une orientation de fibres de 45 . 4 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la bande préimprégnée a une orientation de fibres comprise entre 0'eut 900. 5 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lors de l'enroulement d'une autre bande préimprégnée, on décale son entrée dans la direction périphérique de 1800 par rapport à l'extrémité de la bande préimprégnée précédente. 6 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on enroule la bande de tissu thermoplastique est enroulée avec une précontrainte. 7 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la broche d'enroulement est chauffée régulièrement pendant l'enroulement. 8 ) Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'échauffement de la température sur la broche correspond à environ 60 C-70 C. 9 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' après les couches de préimprégnation, on dépose comme enveloppe extérieure de l'arbre d'entraînement, au moins une couche de unipréimprégné de fibre de carbone, ensuite une couche de préimprégnétissu/-/fibres de verre, et ensuite un tissu d'arrachage.