Brevet FR3068123A1 — publié le 20181228

Branche d'arc, procédé de fabrication d'une branche d'arc, et arc comprenant deux branches La présente invention concerne une branche d'arc, ainsi qu'un procédé de 5 fabrication d'une telle branche d'arc. L'invention concerne également un arc comprenant deux branches d'arc. Le domaine de l'invention est celui des branches d'arc utilisées par paire pour former un arc, notamment un arc de type « recurve », c'est-à-dire un arc dont les 10 branches sont recourbées sur une portion vers l'avant. De tels arcs peuvent comporter des branches amovibles fixées sur une poignée par un moyen mécanique, et ainsi être démontées pour faciliter le transport de l'arc. L'invention vise plus particulièrement la fabrication des branches formées par un 15 collage de plis de part et d'autre d'un noyau. Un tel noyau peut notamment être réalisé en bois ou en mousse synthétique et présenter une épaisseur décroissante du talon à la pointe de la branche. Par le terme de noyau, on désigne également un ensemble formé par au moins un pli. 20 Les plis sont constitués par des fibres de renfort liées par une matrice. Une telle matrice est généralement formée par une résine thermodurcissable de type époxyde notamment. Les plis peuvent être pré-imprégnés avant leur mis en place sur le noyau. Ils peuvent également être imprégnés de résine une fois placés sur le noyau. 25 La matrice peut également être formée par une résine thermoplastique. Dans ce cas, les plis peuvent comprendre, en plus des fibres de renfort, des fils ou filaments thermoplastiques mélangés avec les fibres de renfort, la liaison renfort/matrice se faisant par fusion de la résine thermoplastique. 30 En pratique, les branches d'arc travaillent essentiellement en flexion dans le plan de l'arc. L'énergie de flexion emmagasinée pendant la phase de traction est transmise à la flèche lorsque l'archer libère la corde. La rigidité en flexion est obtenue en utilisant des fibres orientées à 0°, c'est-à-dire selon la direction longitudinale de la branche. 2 Pour éviter les mouvements latéraux en dehors du plan de l'arc, il est intéressant que la branche présente une rigidité en torsion élevée. A cet effet, il est connu d'utiliser des fibres disposées à +45° et -45° constituant des renforts externes agencés de part et d'autre de la partie centrale de la branche. Cette partie centrale, comprenant le noyau, assure la rigidité en flexion de la branche, tandis que les parties latérales, constituées par les renforts externes, assurent la rigidité en torsion de la branche. Verrouiller une typologie ou certains renforts à +-45° se retrouveraient aussi dans la partie centrale ? Une manière commode et largement utilisée chez la plupart des fabricants est 10 d'utiliser un tissu de carbone équilibré, comprenant des fibres orientées en alternance à 0° et 90°, que l'on place avec un angle de 45° sur la partie centrale. A titre d'exemples, le tissu peut être un taffetas ou un sergé. Cependant, cette amélioration de la rigidité en torsion ne participe pas, ou très 15 peu, à la propulsion de la flèche. Elle pénalise la masse de la branche, et donc la vitesse de sortie de la flèche. Afin d'améliorer les caractéristiques des branches d'arc, notamment en ce qui concerne la vitesse de tir, il est intéressant d'utiliser des fibres les plus légères possibles 20 pour les mêmes caractéristiques de rigidité (module d'Young). Dans ces conditions, les fibres de carbone ont largement supplanté les fibres de verre. Parmi les fibres de carbone, il existe une grande variété de produits, qui diffèrent notablement par leurs caractéristiques : 25 - La fibre la plus employée est en carbone haute résistance (H R), ayant un module d'Young inférieur à 265 GPa, notamment compris entre 200 et 240 GPa. - La fibre carbone à module intermédiaire (IM) a un module compris entre 265 et 320 GPa. - La fibre carbone haut module (HM) a un module compris entre 320 et 400 GPa. 30 - La fibre carbone ultra haut module (UHM) a un module supérieur à 400 GPa. En contrepartie, lorsque le module d'Young des fibres augmente, leur allongement à la rupture diminue. Autrement dit, plus les fibres sont rigides, moins elles tolèrent les allongements, ce qui les rend très difficiles à tisser. Aujourd'hui, il est donc impossible de 35 s'en procurer sous forme de tissu de carbone, tel que taffetas ou sergé. 3 Le but de la présente invention est de remédier aux inconvénients ci-dessus A cet effet, l'invention a pour objet une branche d'arc, comprenant : - une partie centrale assurant principalement la rigidité en flexion et définissant une 5 direction longitudinale, et - deux parties latérales assurant principalement la rigidité en torsion, disposées de part et d'autre de la partie centrale et comprenant chacune au moins une paire de plis superposés ; caractérisée en ce qu'au sein de chaque paire, les plis superposés comprennent : - un premier type de pli constitué de nappes de fibres unidirectionnelles orientées selon une première direction, disposée entre 30 et 60 degrés dans un premier sens par rapport à la direction longitudinale, et - un deuxième type de pli constitué de nappes de fibres unidirectionnelles orientées selon une deuxième direction, disposée entre 30 et 60 degrés dans un deuxième sens par rapport à la direction longitudinale ; en ce que la première direction et la deuxième direction sont disposées symétriquement par rapport à la direction longitudinale ; et en ce que en ce que contre la partie centrale, la première partie latérale présente un premier pli du premier type, orienté selon la première direction, tandis que la deuxième 20 partie latérale présente un premier pli du deuxième type, orienté selon la deuxième direction. Ainsi, l'invention offre la possibilité d'utiliser des matériaux à haut module d'Young disposés à 45° pour former les parties latérales, qui sont destinées à améliorer la rigidité 25 en torsion de la branche d'arc, tel que des fibres de carbone HM ou UHM. Pour une même masse, la branche d'arc est plus rigide qu'avec du carbone HR. En alternative, pour une même rigidité, la branche 1 est plus légère qu'avec du carbone HR. Même en utilisant des plis de fibres unidirectionnelles en carbone HR, on obtient une amélioration (bien que faible) de la rigidité de la branche, par rapport à l'utilisation 30 d'un tissé de même masse. Grâce à la configuration antisymétrique des parties latérales, par rapport au plan neutre de la partie centrale, la sollicitation en flexion n'induit pas de vrillage de la branche, ni d'un côté ni de l'autre. 4 Selon d'autres caractéristiques avantageuses de l'invention, prises isolément ou en combinaison : - La première direction est disposée à 45 degrés dans le premier sens par rapport à la direction longitudinale, et la deuxième direction est disposée à 45 degrés dans le 5 deuxième sens par rapport à la direction longitudinale et à +/-90 degrés par rapport à la première direction. - Chaque partie latérale comprend une unique paire de plis superposés. - Chaque partie latérale comprend plusieurs paires de plis superposés, avec en alternance un pli du premier type et un pli du deuxième type. 10 - Les fibres sont en carbone. - Les fibres sont en carbone haut module, ayant un module d'Young compris entre 320 et 400 GPa, de préférence entre 350 et 390 GPa. - Les fibres sont en carbone ultra haut module, ayant un module d'Young supérieur à 400 GPa, de préférence supérieur à 690 GPa. 15 - Les fibres sont en carbone à module intermédiaire, ayant un module d'Young compris entre 265 et 320 GPa. - Les fibres sont en carbone haute résistance, ayant un module d'Young inférieur à 265 GPa, notamment compris entre 200 et 240 GPa. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'une branche d'arc telle que mentionnée ci-dessus. Le procédé comprend les étapes successives suivantes : a) former la partie centrale et les parties latérales dans un moule, les parties centrales étant chacune constituée par empilement de nappes de fibres imprégnées de résine ; b) chauffer le moule pour traiter la résine; c) démouler la branche d'arc, ne nécessitant pas d'opération d'usinage ultérieure. De préférence, la résine est en polymère thermodurcissable, réticulé dans le moule. En alternative, la résine est en polymère thermoplastique. En fonction du type de 30 résine, l'imprégnation des fibres peut être réalisée par pré-imprégnation, par injection, ou par infusion. Avantageusement, la branche d'arc ne nécessite pas d'opération d'usinage après son démoulage, mais peut recevoir d'autres opérations de finition. 35 5 L'invention a également pour objet un arc comprenant deux branches d'arc telles que mentionnées ci-dessus. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, 5 donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une couple longitudinale d'une branche d'arc et d'un moule utilisé pour sa fabrication ; - la figure 2 est une modélisation, comprenant une représentation schématique 10 éclatée en section transversale, selon la ligne Il-Il à la figure 1, d'une branche d'arc conforme à l'état de la technique, accompagnée d'un tableau illustrant la contribution des plis à la rigidité en torsion de la branche ; - la figure 3 est une modélisation analogue à la figure 2, pour une branche d'arc conforme à un mode de réalisation non satisfaisant ; 15 - la figure 4 est une modélisation analogue à la figure 2, pour une branche d'arc conforme à un premier mode de réalisation de l'invention ; et - la figure 5 est une modélisation analogue à la figure 2, pour une branche d'arc conforme à un deuxième mode de réalisation de l'invention. 20 Sur la figure 1 est représentée une branche d'arc 1 disposée dans un moule 10 de fabrication. La branche 1 comprend une partie centrale 2, ainsi que deux parties latérales 3 et 4 disposées de part et d'autre de la partie centrale 2. Les parties latérales 3 et 4 sont des éléments de renfort prévus pour rigidifier la branche en torsion. 25 Le moule 10 comprend une partie inférieure 11 et une partie supérieure 12 définissant un plan de joint 13 et une cavité 14 de réception des parties 2, 3, 4 constitutives de la branche 1. Sur la figure 2 est représentée une branche d'arc 1 conforme à l'état de la technique. La partie centrale 2 est prévue pour assurer principalement la rigidité en flexion de la branche 1. La partie 2 est orientée selon une direction longitudinale DO de la branche 1. La partie 2 peut comprendre au moins un pli, et de préférence plusieurs plis constitués par des fibres de renfort liées par une matrice. La partie 2 comprend par exemple huit plis superposés. En outre, la partie 2 peut comprendre un noyau en bois ou en mousse synthétique. 6 Les parties latérales 3 et 4 sont prévues pour assurer principalement la rigidité en torsion de la branche 1. Chaque partie 3 et 4 est constituée par des fibres de renfort liées par une matrice. De manière classique, comme sur l'exemple de la figure 2, chaque partie latérale 3 5 et 4 comprend des fibres disposées à +45° et -45° par rapport à la direction longitudinale DO, afin d'assurer la rigidité en torsion de la branche 1. Par exemple, chaque partie 3 et 4 peut être formée d'un tissu de carbone équilibré, du type taffetas ou sergé, comprenant des fibres orientées en alternance à 0° et 90°, que l'on place avec un angle de 45° sur la partie centrale 2. Ainsi, chaque partie 3 et 4 comprend des fibres orientées selon une 10 direction D1 à +45° et des fibres orientées selon une direction D2 à -45°. Le tableau de la figure 2 illustre la contribution des différents plis à la rigidité en torsion de la branche 1. Lorsque la branche 1 est sollicitée en flexion pure par un effort F réparti de façon homogène sur la largeur de la section, les efforts appliqués sur sa section peuvent être modélisés par un effort Fi = F/2 appliqué sur un premier côté et un effort 15 F2= F/2 appliqué sur un deuxième côté. La partie 3 comprend un assemblage de fibres à +45° et -45°, de sorte que le pli correspondant contribue équitablement à la rigidité en torsion sous l'effort Fi et sous l'effort F2. Il en est de même pour la partie 4. Ainsi, la sollicitation en flexion n'induit pas de vrillage de la branche 1, ni d'un côté ni de l'autre. Cependant, la mise en oeuvre d'un tissu carbone ne permet pas l'utilisation de 20 fibres carbone HM ou UHM, comme expliqué plus haut. Par conséquent, les performances de la branche 1 ne sont pas optimales. Sur la figure 3 est représentée une branche d'arc 1 selon un mode de réalisation non conforme à l'invention. 25 La partie centrale 2 est similaire à celle de la figure 2. Les parties latérales 3 / 4, disposées de part et d'autre de la partie centrale 2, comprennent chacune une paire 30 / 40 de plis superposés 31+32 / 41+42. Les plis 31 et 41 du premier type sont chacun constitué de nappes de fibres de carbone unidirectionnelles orientées selon une première direction D1 disposée à -45° par 30 rapport à la direction longitudinale DO. Les plis 32 et 42 du deuxième type sont chacun constitués de nappes de fibres de carbone unidirectionnelles orientées selon une deuxième direction D2 disposée à +45° degrés par rapport à la direction longitudinale DO et à +90° par rapport à la première direction Dl. 35 Contre la partie 2, la partie 3 présente un premier pli 31 du premier type, orienté selon la première direction Dl. De même, la partie 4 présente un premier pli 41 du 7 premier type, orienté selon la première direction Dl. Autrement dit, les plis 31+32 d'une part et 41+42 d'autre part sont disposés symétriquement par rapport à un plan neutre de la partie centrale 2. Dans le domaine de la fabrication des pièces en matériaux composites en général, 5 et qui s'applique au cas des branches d'arc, la règle est de prévoir une symétrie miroir pour les parties latérales 3 et 4, par rapport au plan neutre de la partie centrale 2. Cette règle est considérée comme une bonne pratique de conception lorsqu'on veut que les plis ne se voilent pas ou ne gauchissent pas sous l'effet des retraits post moulage. Pour utiliser des plis à +1- 45°, l'homme de l'art est ainsi incité à respecter la règle de la 10 symétrie miroir. Le tableau de la figure 3 illustre la contribution des différents plis à la rigidité en torsion de la branche 1. Plus un pli est éloigné de la partie centrale 20, plus il contribue à la rigidité en torsion de la branche 1, tous autres paramètres étant par ailleurs égaux. Du fait des orientations particulières des fibres et de leur distance à la partie centrale 20, les 15 différents plis contribuent différemment à la rigidité en torsion sous l'effort Fi et sous l'effort F2. Dans le tableau, la contribution de chaque pli à la rigidité en torsion est donc matérialisée par un certain nombre de « + » selon la distance à la partie centrale, tandis que les « E » représentent une contribution négligeable. Le pli 31 comprend des fibres à -45°, orientées selon la direction D1, de sorte qu'il 20 contribue à la rigidité en torsion sous l'effort F2, mais de manière négligeable sous l'effort Fi. Le pli 32 est plus éloigné de la partie centrale 2 que le pli 31 et comprend des fibres à +45°, orientées selon la direction D2, de sorte qu'il contribue à la rigidité en torsion sous l'effort Fi, mais de manière négligeable sous l'effort F2. Le pli 41 comprend des fibres à - 45°, orientées selon la direction D1, de sorte qu'il contribue à la rigidité en torsion sous 25 l'effort F2, mais de manière négligeable sous l'effort Fi. Le pli 42 est plus éloigné de la partie centrale 2 que le pli 41 et comprend des fibres à +45°, orientées selon la direction D2, de sorte qu'il contribue à la rigidité en torsion sous l'effort Fi, mais de manière négligeable sous l'effort F2. Le bilan déséquilibré du tableau de la Figure 3 indique que la branche 1 va se 30 vriller tout en fléchissant (couplage flexion torsion). Dans ces conditions, les performances de la branche 1 ne sont pas satisfaisantes. Sur la figure 4 est représentée une branche d'arc 1 conforme à un premier mode de réalisation de l'invention. 35 La partie centrale 2 est similaire à celle de la figure 2. 8 Les parties latérales 3 / 4, disposées de part et d'autre de la partie centrale 2, comprennent chacune une paire 30 / 40 de plis superposés 31+32 / 42+41. Comme sur la figure 2, les plis 31 et 41 sont du premier type, tandis que les plis 32 et 42 sont du deuxième type. 5 Contre la partie 2, la partie 3 présente un premier pli 31 du premier type, orienté selon la première direction Dl. De son côté, la partie 4 présente un premier pli 42 du deuxième type, orienté selon la première direction Dl. Autrement dit, les plis 31+32 d'une part et 42+41 d'autre part sont disposés antisymétriquement par rapport au plan neutre de la partie centrale 2. 10 Un tel agencement est contre-intuitif dans le domaine de la fabrication de branches d'arc. En effet, comme mentionné plus haut, la règle est de prévoir une symétrie miroir pour les parties latérales 3 et 4, par rapport au plan neutre de la partie centrale 2. Cependant, dans le cas présent, c'est en ne respectant pas cette règle qu'on atteint l'absence de gauchissement de la branche 1. Ainsi, de manière surprenante, un tel 15 agencement permet d'obtenir d'excellentes performances, comme détaillé ci-après. Le tableau de la figure 4 illustre la contribution des différents plis à la rigidité en torsion de la branche 1. Le pli 31 comprend des fibres à -45°, orientées selon la direction D1, de sorte qu'il contribue à la rigidité en torsion sous l'effort F2, mais de manière négligeable sous l'effort Fi. Le pli 32 est plus éloigné de la partie centrale 2 que le pli 31 20 et comprend des fibres à +45°, orientées selon la direction D2, de sorte qu'il contribue à la rigidité en torsion sous l'effort Fi, mais de manière négligeable sous l'effort F2. Le pli 42 comprend des fibres à +45°, orientées selon la direction D2, de sorte qu'il contribue à la rigidité en torsion sous l'effort Fi, mais de manière négligeable sous l'effort F2. Le pli 41 est plus éloigné de la partie centrale 2 que le pli 42 et comprend des fibres à -45°, 25 orientées selon la direction D1, de sorte qu'il contribue à la rigidité en torsion sous l'effort F2, mais de manière négligeable sous l'effort Fi. Le bilan équilibré du tableau de la Figure 4 indique que la sollicitation en flexion n'induit pas de vrillage de la branche 1, ni d'un côté ni de l'autre. De plus, la mise en oeuvre de plis superposés 31+32 /42+41, chacun constitué de 30 nappes de fibres de carbone unidirectionnelles, permet l'utilisation de fibres carbone HM ou UHM à 45° pour les parties latérales 3 et 4. Cela permet d'améliorer fortement la rigidité en torsion de la branche 1, en comparaison avec des fibres carbone HR. Dans ces conditions, les performances de la branche 1 sont grandement améliorées vis-à-vis de l'état de la technique. 35 9 Sur la figure 5 est représentée une branche d'arc 1 conforme à un deuxième mode de réalisation de l'invention. Cette branche 1 est similaire à celle de la figure 4, excepté que chaque partie latérale 3 / 4 comprend deux paires 30 / 40 de plis superposés 31+32 / 42+41, avec en 5 alternance un pli du premier type 31 / 41 et un pli du deuxième type 32 / 42. En partant de la partie centrale 2, la partie 3 comprend un empilement de plis 31+32+31+32, tandis que la partie 4 comprend un empilement de plis 42+41+42+41. Quel que soit le mode de réalisation, les fibres constituant les parties latérales 3 et 10 4 peuvent être en carbone haut module, ayant un module d'Young compris entre 320 et 400 GPa, de préférence entre 350 et 390 GPa. En alternative, les fibres peuvent être en carbone ultra haut module, ayant un module d'Young supérieur à 400 GPa, de préférence supérieur à 690 GPa. En alternative, les fibres peuvent être en carbone haute résistance ou à module intermédiaire. 15 En alternative, les fibres peuvent être en tout autre matériau adapté à l'application visée, entrant dans la composition des composites. Par ailleurs, la branche d'arc 1 peut être conformée différemment des figures 3 à 5 sans sortir du cadre de l'invention. 20 En variante non représentée, les parties latérales 3 / 4 peuvent comprendre plus de deux paires 30 / 40 de plis. Selon une autre variante non représentée, les directions D1 et D2 ne sont pas disposées strictement à -45° et +45 degrés. Par exemple, la première direction D1 peut être disposée entre 30 et 60 degrés dans un premier sens, tandis que la deuxième 25 direction D2 peut être disposée entre 30 et 60 degrés dans un deuxième sens distinct du premier sens, par rapport à la direction longitudinale DO, en projection dans le plan neutre de la partie centrale 2. De préférence, la direction D1 est disposée entre +/-40 et +/-50 degrés dans un premier sens, tandis que la deuxième direction D2 est disposée entre +/-40 et +/-50 30 degrés dans un second sens, par rapport à la direction longitudinale DO. Dans tous les cas, les directions D1 et D2 sont disposés symétriquement l'une par rapport à l'autre, par rapport à la direction longitudinale DO, en projection dans le plan neutre de la partie centrale 2. 10 Selon une autre variante non représentée, la partie centrale 2 peut comprendre des plis constitués de nappes de fibres unidirectionnelles ou des tissus orientées obliquement par rapport à la direction longitudinale DO, par exemple à +/-45 degrés. Selon une autre variante non représentée, les parties latérales 3 / 4 peuvent 5 comprendre des plis constitués de nappes de fibres unidirectionnelles suivant la direction longitudinale DO. La branche d'arc 1 peut ainsi être adaptée en termes de construction, technique de fabrication, coût, REVENDICATIONS1. Branche d'arc (1), comprenant : - une partie centrale (2) assurant principalement la rigidité en flexion et définissant une direction longitudinale (DO), - deux parties latérales (3; 4) assurant principalement la rigidité en torsion, disposées de part et d'autre de la partie centrale (2), et comprenant chacune au moins une paire (30; 40) de plis superposés (31, 32 ; 41, 42) ; caractérisée en ce qu'au sein de chaque paire (30; 40), les plis superposés (31, 32 ; 41, 42) comprennent : - un premier type de pli (31 ; 41) constitué de nappes de fibres unidirectionnelles orientées selon une première direction (D1), disposée entre 30 et 60 degrés dans un premier sens par rapport à la direction longitudinale (DO), et - un deuxième type de pli (32; 42) constitué de nappes de fibres unidirectionnelles orientées selon une deuxième direction (D2), disposée entre 30 et 60 degrés dans un deuxième sens par rapport à la direction longitudinale (DO) ; en ce que la première direction (D1) et la deuxième direction (D2) sont disposées symétriquement par rapport à la direction longitudinale (DO) ; et en ce que contre la partie centrale (2), la première partie latérale (3) présente un premier pli (31) du premier type, orienté selon la première direction (D1), tandis que la deuxième partie latérale (4) présente un premier pli (42) du deuxième type, orienté selon la deuxième direction (D2). 2. Branche d'arc (1) selon la revendication 1, caractérisée en ce que : - la première direction (D1) est disposée à 45 degrés dans le premier sens par rapport à la direction longitudinale (DO), et - la deuxième direction (D2) est disposée à 45 degrés dans le deuxième sens par rapport à la direction longitudinale (DO) et à +/-90 degrés par rapport à la première direction (D1). 3. Branche d'arc (1) selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que chaque partie latérale (3 ; 4) comprend une unique paire (30 ; 40) de plis superposés (31, 32 ; 41, 42). 12 4. Branche d'arc (1) selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que chaque partie latérale (3 ; 4) comprend plusieurs paires (30 ; 40) de plis superposés (31, 32 ; 41, 42), avec en alternance un pli du premier type (31 ; 41) et 5 un pli du deuxième type (32 ; 42). 5. Branche d'arc (1) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les fibres sont en carbone haut module, ayant un module d'Young compris entre 320 et 400 GPa, de préférence entre 350 et 390 GPa. 10 6. Branche d'arc (1) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les fibres sont en carbone ultra haut module, ayant un module d'Young supérieur à 400 GPa. 15 7. Branche d'arc (1) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les fibres sont en carbone à module intermédiaire, ayant un module d'Young compris entre 265 et 320 GPa. 8. Branche d'arc (1) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les 20 fibres sont en carbone haute résistance, ayant un module d'Young inférieur à 265 GPa, notamment compris entre 200 et 240 GPa. 9. Procédé de fabrication d'une branche d'arc (1) selon l'une des revendications 1 à 8, comprenant les étapes successives suivantes : 25 .a) former la partie centrale (2) et les parties latérales (3; 4) dans un moule (10), les parties latérales (3; 4) étant chacune constituée par empilement de nappes de fibres imprégnées de résine ; .b) chauffer le moule (10) pour traiter la résine; .c) démouler la branche d'arc (1), ne nécessitant pas d'opération d'usinage 30 ultérieure. 10. Arc comprenant deux branches d'arc (1) selon l'une des revendications 1 à 8.