Brevet FR2964590A1 — publié le 20120316

"PROCEDE DE FABRICATION D'UN RESSORT DE SUSPENSION POUR VEHICULE AUTOMOBILE EN MATERIAU COMPOSITE DE MISE EN OEUVRE SIMPLIFIEE" La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un ressort de suspension pour véhicule automobile en matériau composite de mise en oeuvre simplifiée. Un procédé de ce type est connu notamment du document FR 2859735. Il permet de fabriquer un ressort de suspension pouvant se substituer aux ressorts métalliques plus 15 lourds et plus vulnérables face à la corrosion. Cependant, ce procédé est relativement complexe de mise en oeuvre. 20 L'invention vise à pallier ces inconvénients en proposant un procédé de fabrication d'un ressort de suspension notamment pour véhicule automobile, formé d'un matériau composite incluant des fibres et de la résine. Selon l'invention, le procédé comprend sur une même 25 filière de fabrication les étapes de: - fabrication d'une âme centrale destinée à supporter les fibres, - fabrication d'un fil comprenant au moins une couche de fibres enroulées autour de l'âme centrale 30 - mise en forme du fil autour d'un mandrin animé d'un mouvement de rotation tirant le fil au fur et à mesure de sa formation et solidification de celui-ci dans une forme hélicoïdale. 35 Selon une autre caractéristique, l'étape de la fabrication du fil comprend les phases: * d'enroulement des fibres autour de l'âme centrale * de liaison des fibres enroulées par la résine après leur enroulement autour de l'âme Selon encore une autre caractéristique, la phase de liaison des fibres consiste en un passage des fibres enroulées autour de l'âme centrale au sein d'une résine thermodurcissable à l'état liquide. Dans ce cas, la solidification du fil dans une forme hélicoïdale est effectuée par cuisson du mandrin à une température au moins égale à la température de polymérisation de la résine. Idéalement, la mise en forme du fil est réalisée autour d'un deuxième mandrin durant la cuisson du premier mandrin de façon à assurer une continuité dans la chaîne de fabrication. Selon une autre caractéristique, la phase de liaison des fibres consiste en un chauffage des fibres préalablement préimprégnées de résine thermoplastique par des moyens de chauffage disposés autour de la filière de fabrication après les unités d'enroulement. Dans ce cas, la solidification du fil est effectué par chauffage du fil sur le mandrin par des moyens de chauffage disposés autour du mandrin. De préférence, le chauffage est effectué entre 180 et 30 260°C. Selon une variante de réalisation, l'âme centrale est composée d'un ensemble de fibres coaxiales mises en forme en début de filière. Autrement, l'âme centrale est composée d'un tube creux préférentiellement thermoplastique. 35 L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, faite en référence aux figures suivantes qui en illustrent un mode de réalisation non limitatif : - la figure 1 représente un ressort en matériau composite réalisé selon le procédé de l'invention, - la figure 2 est une vue schématique en coupe d'un fil en matériau composite apte à constituer le ressort de la figure 1, - la figure 3 illustre schématiquement la mise en forme du fil de la figure 2 autour d'un mandrin animé d'un mouvement de rotation et de translation, pour fabriquer le ressort de la figure 1, - la figure 4 représente une filière mettant en oeuvre un premier mode de réalisation du procédé de fabrication selon l'invention, à partir d'une âme centrale composée d'un ensemble de fibres, selon lequel les fibres du fil sont liées les unes aux autres au sein de bacs d'imprégnation, - la figure 5 illustre une vue schématique en coupe de l'un des bacs d'imprégnation de la figure 4, - le figure 6 montre respectivement des vues schématiques en coupe transversale et en coupe longitudinale des rouleaux de guidage du fil au sein de la résine du bac d'imprégnation de la figure 5, - la figure 7 représente une filière mettant en oeuvre un deuxième mode de réalisation du procédé de fabrication selon l'invention, à partir d'une âme centrale composée d'un ensemble de fibres, selon lequel les fibres du fil sont préimprégnées de résine et sont liées les unes aux autres par chauffage, - la figure 8 montre la filière de la figure 7 adaptée pour la fabrication d'un fil à partir d'une âme centrale composée d'un tube thermoplastique et permettant la fabrication d'un ressort creux, - la figure 9 montre la filière de la figure 4 adaptée pour la fabrication d'un fil à partir d'une âme centrale composée d'un tube thermoplastique et permettant la fabrication d'un ressort creux. L'invention telle qu'illustrée sur les figures annexées, permet de fabriquer un ressort en matériau composite 1 conforme à celui de la figure 1, pouvant être utilisé comme ressort de suspension dans des véhicules automobiles, et suivant un procédé relativement simple. Un matériau composite est un matériau constitué d'au moins deux constituants dont les qualités respectives se complètent pour former un matériau aux performances globales améliorées. Parmi ces constituants on retrouve généralement un renfort et une matrice. La matrice peut être, généralement, de type thermodurcissable (thermodure) ou thermoplastique, les différences se situant dans les méthodes de polymérisation ainsi que dans les propriétés (notamment mécanique, résistance thermique et chimique). Les renforts garantissent la résistance mécanique de la pièce finale, ces renforts doivent donc être positionnés de telle sorte à pouvoir résister aux efforts qui seront appliqués. Ces renforts peuvent se présenter sous la forme de tissus de fibres ou bien sous forme de bobine de fibres (rovings). De plus les tissus ou bobines peuvent être pré imprégné, c'est-à-dire qu'ils ont lors de leur fabrication été trempés ou « mélangés » avec de la résine thermodur (cas de tissus pré-imprégnés), ou co-mêlés avec des fils de thermoplastique (tissus et bobines) ou alors imprégnés de poudre de thermoplastique. Tel que schématiquement représenté sur la figure 2, ce ressort comprend une âme centrale 2 servant de support à au moins une couche ou corde de fibres 3 liées entre elles et à l'âme centrale 2 par de la résine, et assurant la résistance mécanique du ressort. Le procédé selon l'invention permettant la fabrication d'un tel ressort, et représenté sur la figure 3, est un procédé de pultrusion en ligne (ou extrusion en ligne) comprenant deux unités principales consécutives réparties sur une seule et unique filière de fabrication 7, dont un premier mode de réalisation est représenté sur la figure 4, à savoir : - en amont une ou plusieurs unités de tissage ou d'enroulement 9, 10 de fibres autour d'une âme centrale 2, à l'issue desquelles est obtenu le fil constitutif du ressort. Durant cet enroulement, les fibres sont orientées le plus favorablement possible par rapport aux sollicitations en service, c'est-à-dire de préférence à ±45 degrés voire jusqu'à ±60 degrés vis à vis de l'âùe centrale 2. - en aval une unité de mise en forme du fil obtenu en sortie de la dernière unité d'enroulement, sous une forme hélicoïdale et de solidification de ce fil pour constituer le ressort. Cette mise en forme s'effectue autour d'un mandrin 5 qui est une pièce cylindrique mieux visible sur la figure 3 et ayant une cavité qui a la forme finale du ressort, ce mandrin 5 sert de moule pour le doter de la forme du ressort désiré. On vient positionner le fil dans la gorge 6 du mandrin 5 et ce mandrin 5 est mis en rotation autour de l'axe Y de la figure 3 afin d'entrainer l'enroulement du fil, et est animé d'un mouvement de va-et-vient suivant ce même axe Y. Cette combinaison de mouvement va permettre de mettre en forme le fil selon un profil hélicoïdal sur le mandrin tout en conservant l'orientation angulaire des fibres vis-à-vis de l'âme, établi lors de l'enroulement filamentaire. Le procédé selon l'invention permet ainsi de fabriquer à partir de fibres et de résine, un ressort dont les fibres constitutives ne se retrouvent pas séparées prématurément de l'âme centrale lorsque le ressort est sollicité. En effet, étant donné qu'il n'existe aucune étape de transfert manuel ou autre entre la sortie de la sortie de la dernière unité d'enroulement 10 et l'entrée de l'unité de mise en forme 5 du fil, qui attire vers elle par rotation du mandrin 5 le fil issu de la dernière unité d'enroulement 10, la tension de la la corde est garantie et leur position autour de l'âme l'est également. En outre, immédiatement après chaque unité d'enroulement, la filière comprend une unité de liaison 9A, 10A des fibres les unes aux autres 9B, 10B qui garantit leur positionnement relatif et vis à vis de l'âme centrale 2, d'autant plus encore une fois que le fil obtenu est directement tiré et mis en forme par le mandrin consécutif 5. Le premier type de filière de fabrication permet la réalisation d'un ressort dit ressort à âme centrale pleine, dont l'âme centrale 2 est formée d'un assemblage de fibres a, b, c et dont la corde est constituée d'une première couche de fibres a', b', c' et d'une deuxième couche de fibres a", b", c". Elle comprend à cet effet les unités successives 25 suivants . - une unité 8 de fabrication de l'âme centrale 2 par assemblage de trois fibres a, b, c selon une direction coaxiale, par laquelle est obtenue l'âme centrale 2, 30 une unité de formation 9 d'une première couche de fibres a', b', c' enroulées autour de l'âme centrale. Cette unité se décompose en un poste 9A d'enroulement de trois fibres a', b', c' autour de l'âme obtenue à l'unité précédente 8, et un poste 9B de liaison de ces fibres de 35 cordes a', b', c' entre elles ainsi qu'à l'âme centrale 2 par une résine thermodure : * Sur le poste d'enroulement 9B, des bobines de fibres a', b', c' sont disposées à proximité de la filière de fabrication et tournoient autour de autour de l'axe X, permettant l'enroulement des fibres a', b', c' autour de l'âme 2. En outre, chaque fibre a', b', c' est inclinée vis-à-vis de l'âme centrale 2 d'un angle compris entre ±45° et ±60°. On obtient suite à l'enroulement de ces premières fibres de corde a', b', c' autour de l'âme centrale 2, un « fil non lié » 16 ; * Sur le poste de liaison 9B, le fil non lié 16 traverse un circuit d'imprégnation contenant une résine thermodure. Ce circuit d'imprégnation 15 est interposé sur le chemin de déplacement du fil non lié 16 vers l'unité de mise en forme du ressort, tel que l'illustre la figure 6, et comprend un bac d'imprégnation contenant la résine d'imprégnation sous forme liquide, deux rouleaux d'immersion 14 du fil non lié 16 dans la résine, disposés horizontalement au sein du bac avec une moitié immergée dans la résine, et sous lesquels le fil aux fibres non liées 16 est contraint de passer pour être immergé dans et imbibé de résine, et un rouleau de délestage 21 également disposé horizontalement mais au-dessus du niveau de la résine liquide et permettant de débarrasser le fil imprégné de résine, de la résine excédentaire. Les rouleaux d'immersion 14 comme le rouleau de délestage 21 comprennent une rainure de guidage du fil 22 illustrée sur la figure 5, formée autour du périmètre du rouleau pour servir de guidage au fil lorsque tracté pour les besoins de fabrication du ressort, cette rainure ayant une profondeur équivalente à l'épaisseur du fil de fibres, et évitant un écrasement de ce fil lors de son passage autour du rouleau concerné. La résine contenue dans le bac d'imprégnation peut être de type époxy, vinylester. On obtient à la sortie du circuit d'imprégnation, un fil constitué d'une âme centrale de fibres coaxiales 2, entourée de fibres enroulées autour de l'âme 2 et faisant avec l'axe défini par cette âme centrale 2un angle compris entre ±45° et ±60° formant une première couche de fibres de corde. - une unité de formation 10 d'une deuxième couche de fibres a", b", c" enroulées autour de la première couche de fibres a', b', c'. Comme son homologue ayant servi à la formation de la première couche de fibres enroulées a', b', c', cette unité 10 comprend un poste d'enroulement de ces fibres a", b", c" autour des premières a', b', c' au moyen de bobines tournoyant autour de l'axe X, et un poste de liaison des deuxièmes fibres a", b", c" aux premières a', b', c' composé d'un circuit d'imprégnation analogue à celui décrit précédemment. On obtient en sortie de cette unité de formation 10, un fil constitué en plus de l'âme centrale 2 de fibres coaxiales et de la première couche de fibres enroulées a', b', c', d'une deuxième couche de fibres enroulées a", b", c". Ce fil présente la composition souhaitée pour fabriquer le ressort de compression. - L'unité suivante 10 permet de conférer au fil sa forme de ressort hélicoïdal, le fil étant enroulé autour d'un mandrin 5 dans une gorge hélicoïdale de la forme souhaitée pour le ressort, formée sur la paroi extérieure de ce mandrin. Le mandrin 5 est animé d'un mouvement de rotation autour de l'axe Y et d'un mouvement de translation selon ce même axe Y par exemple dans le sens repéré sur la figure 3, pour doter le fil de la forme hélicoïdale recherchée pour le ressort. La vitesse de rotation et de translation du mandrin 5 autour de l'axe Y, et qui permet de tirer le fil selon l'axe X durant son cheminement le long de la filière, est réglée en fonction de la forme de la gorge hélicoïdale, et de la vitesse de rotation des bobines autour de l'axe X pour former les fibres de corde a', b', c', a", b", c". Enfin, pour polymériser la résine, le mandrin sur lequel le fil est enroulé est admis au sein d'un four réglé à une température au moins égale à la température de polymérisation de la résine, et pendant la durée permettant cette polymérisation. Pour ne pas rompre la filière d'enroulement du fil 18 lors de l'admission du mandrin 5 au sein du four de polymérisation, il peut être prévu qu'un deuxième mandrin dit de transition soit monté sur l'axe Y juste après le premier mandrin 5, avec une gorge hélicoïdale prolongeant celle du premier mandrin 5 en étant animé du même mouvement de rotation et de translation que ce premier mandrin 5, et permettant de poursuivre l'enroulement du fil 18 alors que le premier mandrin a quitté l'axe Y pour être admis au sein du four. Le premier mandrin 5 pourra être monté de nouveau sur l'axe Y une fois la polymérisation de la résine du fil qu'il porte terminée. Si la polymérisation en question est relativement longue, d'autres mandrins supplémentaires peuvent être prévus le long de l'axe Y, avec des moyens de verrouillage l'un à l'autre, permettant de les disposer de façon que leurs gorges soient dans la continuité l'une de l'autre. Selon le deuxième mode de réalisation de la filière de fabrication d'un ressort en matériau composite selon l'invention, la résine n'est pas de type thermodurcissable mais thermoplastique, de sorte qu'il n'est pas nécessaire de la faire polymériser au sein d'un four, comme ce fût le cas pour la première variante. Au contraire, cette polymérisation est effectué en même temps que la liaison des fibres de corde les unes aux autres, c'est-à-dire immédiatement apres leur enroulement autour de l'âme centrale 2. Cependant, ce deuxième type de filière présente de nombreuses similitudes avec le premier type, puisque comprend une unité de fabrication 8 d'une âme centrale 2 à partir de trois fibres a, b, c, assemblées coaxialement, une unité de formation 9 d'une première couche de fibres a', b', c' enroulées autour de l'âme centrale, une unité de formation d'une deuxième couche de fibres a", b", c" enroulées autour des premières a', b', c' et une unité d'enroulement hélicoïdal 11 du fil ainsi obtenu autour d'un mandrin 5 de forme complémentaire du ressort à obtenir. Les seules différences entre ces deux types de 10 filières sont : - la nature de la résine qui est dans le cas de la figure 7, une résine thermoplastique (PA6, PA66, PA11 ...), - le traitement des fibres de corde d', e', f' et 15 d", e", f" qui sont préimprégnées de cette résine thermoplastique et sont donc enroulées autour de l'âme en étant préimprégnées de cette résine. Sans que cela soit indispensable, il est possible que les fibres de l'âme a, b, c soient également imprégnées de résine, 20 - la liaison des fibres de corde les unes aux autres qui se fait non plus par passage de ces fibres au sein d'une résine liquide puisqu'elles sont déjà préimprégnées de résine, mais par ramollissement voire fonte de la résine thermoplastique qui les imprègne sous 25 l'effet de la chaleur procurée par des moyens de chauffage (infrarouge ou ultrason) 25 disposés sur le chemin de fabrication du fil immédiatement après l'enroulement des fibres autour de l'âme 2. La température de chauffe peut être par exemple 30 comprise entre 180°C et 260°C. Les fibres préimprégnées formant la première couche de corde d', e', f' sont liées les unes aux autres par la résine ramollie voire fondue immédiatement après avoir été enroulées autour de l'âme 2 grâce au chauffage de la 35 résine. Il en est de même pour les fibres de la deuxième couche de corde d", e", f" . Ainsi, les différentes couches de fibres restent souples les unes par autres jusqu'a l'étape de mise en forme du ressort et de mise sous tension des fibres. - En outre, durant l'enroulement du fil obtenu, sur le mandrin 5, on poursuit voire accentue ce chauffage pour polymériser la résine, ce mandrin 5 étant également entouré de moyens de chauffage 25. Inutile donc de transférer ce mandrin au sein d'un four de polymérisation. La température de chauffage est réglée pour permettre en plus du ramollissement de la résine, sa polymérisation. Cette variante de réalisation permet d'utiliser 15 différentes type/qualité de fibres. La figure 8 représente une légère variante de réalisation de la filière thermoplastique illustrée sur la figure 7, et décrite ci-dessus selon laquelle l'âme 20 centrale 2 n'est plus constituée de fibres coaxiales a, b, c mais d'un tube de préférence en matériau thermoplastique et extrudé en amont de la filière, autour duquel seront enroulées les fibres de cordes d', e', f' et d", e", f". Cette variante permet de réaliser un 25 ressort creux. Le tube thermoplastique utilisé est préférentiellement compatible avec le thermoplastique utilisé pour imprégner les fibres. Il est en outre mis sous pression d'air de manière à conserver une forme 30 circulaire et éviter qu'il ne s'affaisse sous son propre poids . - durant la phase d'enroulement filamentaire - durant la phase d'enroulement de la corde sur le mandrin 35 - durant la phase de cuisson et de refroidissement du ressort. La figure 9 illustre un même type de variante de réalisation de la filière thermodurcissable de la figure 4, dans laquelle l'âme centrale est également un tube thermoplastique. Dans ce cas, ce tube est de nature polyamide. Le procédé tel que décrit ci-dessus permet d'atteindre les objectifs principaux suivants : un gain de masse important par rapport aux ressorts métalliques, - une meilleure tenue à la corrosion galvanique du matériau composite réalisé par rapport à l'acier - un procédé facilement industrialisable puisque ne faisant intervenir que des unités simples et permettant la fabrication de pièces analogues voire identiques, étant donné que celles-ci peuvent désormais être fabriquées à partir des matières premières nécessaires (fibres et résine) sur une unique filière mécanisée, et permettant de garantir une tension satisfaisante des fibres au sein du ressort étant donné qu'aucune étape de transfert manuel n'intervient entre l'unité de réalisation de la dernière couche de fibres de corde et donc unité d'obtention du fil constitutif du ressort, et l'unité de mise en forme de ce fil suivant un profil hélicoïdal, ces deux unités étant directement consécutif l'un de l'autre le fil obtenu étant tiré par le mandrin le mettant en forme. Les caractéristiques finales du ressort et notamment l'absence de défaut sont ainsi garanties, - une diversité dans le choix des fibres utilisées puisque celles-ci peuvent être choisies parmi les fibres de verre, de carbone, de basalte et qu'au sein d'une même couche de fibres, elles peuvent être de même nature ou différentes. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un ressort de suspension notamment pour véhicule automobile, formé d'un matériau composite incluant des fibres et de la résine, comprenant sur une même filière de fabrication les étapes de: fabrication d'une âme centrale (2) destinée à 10 supporter les fibres, fabrication d'un fil comprenant au moins une couche de fibres enroulées autour de l'âme centrale (2) mise en forme du fil autour d'un mandrin (5) animé d'un mouvement de rotation tirant le fil au fur et à 15 mesure de sa formation et solidification de celui-ci dans une forme hélicoïdale. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape de la fabrication du fil comprend les phases: 20 * d'enroulement des fibres autour de l'âme centrale (2) * de liaison des fibres enroulées par la résine après leur enroulement autour de l'âme 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel la 25 phase de liaison des fibres consiste en un passage des fibres enroulées autour de l'âme centrale (2) au sein d'une résine thermodurcissable à l'état liquide. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en 30 ce que la solidification du fil dans une forme hélicoïdale est effectuée par cuisson du mandrin à une température au moins égale à la température de polymérisation de la résine. 35 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la mise en forme du fil est réalisée autour d'un deuxième mandrin durant la cuisson du premier mandrin defaçon à assurer une continuité dans la chaîne de fabrication. 6. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la phase de liaison des fibres consiste en un chauffage des fibres préalablement préimprégnées de résine thermoplastique par des moyens de chauffage disposés autour de la filière de fabrication après les unités d'enroulement. 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel la solidification du fil est effectuée par chauffage du fil sur le mandrin par des moyens de chauffage disposés autour du mandrin. 8. Procédé selon la revendication 6 ou 7, dans lequel le chauffage est effectué entre 180 et 260°C. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, dans 20 lequel l'âme centrale est composée d'un ensemble de fibres coaxiales mises en forme en début de filière. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel l'âme centrale est composée d'un tube creux 25 préférentiellement thermoplastique. 30