Brevet FR3066948A1 — publié le 20181207

MANDRIN À BOBINAGE SUPERFICIEL Domaine de l'invention La présente invention concerne les mandrins de fabrication de pièces bobinées en matériaux composites et propose un mandrin à bobinage superficiel. Arrière plan technologique Les pièces en matériaux composites sont fabriquées soit par des procédés utilisant des fibres pré-imprégnées de résine avant la mise en forme de la pièce, soit par des procédés utilisant des fibres sèches puis imprégnées lors de la mise en forme de la pièce au cours d'une étape de transfert. Dans le domaine concerné par l'invention, les fibres sont bobinées sur un 10 mandrin selon une géométrie adaptée à la pièce. L'étape de dépose est suivie d'une étape de polymérisation et de durcissement de la résine puis le mandrin est en général retiré si celui-ci n'avait pas d'autre fonction qu'un outillage. Pour la réalisation de pièces composites bobinées ou drapées creuses comme des réservoirs ou des bielles composites, différents types de mandrins 15 sont utilisés. Un premier type de mandrin est le mandrin fusible ou soluble notamment à base d'arényl ou de mousse. Un tel mandrin est non réutilisable, et sa fabrication nécessite un procédé de mise en oeuvre complexe, long, délicat et lié au savoir-faire de l'opérateur avec un coût récurrent de main d'ceuvre. Il est en outre difficile 20 à maitriser ce qui cause de possibles défauts de forme du mandrin tels que des effondrements locaux notamment dans le cas de l'arényl. Ce procédé nécessite l'usage de produits chimiques qu'il faut ensuite éliminer comme le liant pour l'arényl et un solvant pour de la mousse. Pour des pièces de grande taille, le mandrin devient rapidement trop lourd et comporte une tenue mécanique limitée. 3066948 2 Un exemple de dispositif à mandrin fusible est donné dans le document EP 0 626 250 Al. Un deuxième type de mandrin est le mandrin mécanique d'une seule pièce. Un tel mandrin est applicable uniquement à de formes spécifiques de type cylindre 5 ou cônes et nécessite des moyens d'extraction tels que presse ou vérins puissants dans le cas de tubes longs. L'effort de démoulage est important ce qui est incompatible avec des pièces fragiles. Un troisième type de mandrin est le mandrin perdu pour lequel le drapage se fait sur une forme de base laissée dans la pièce qui sont non réutilisables et 10 donc coûteux, qui pénalisent la pièce en masse et éventuellement en volume utile interne car le mandrin reste dans la pièce. Un quatrième type de mandrin est le mandrin mécanique à secteurs démontables qui nécessite des secteurs de formes particulières (clé+voussoirs) pour permettre le démontage du mandrin, ce qui crée un mandrin complexe à 15 concevoir, fabriquer ou utiliser. Des secteurs creux permettent de limiter la masse du mandrin pour les grandes pièces. Pour un tel mandrin, les efforts de démoulage des secteurs par rapport à la pièce et entre secteurs sont potentiellement importants, l'opération de démontage peut être longue et impose d'avoir une accessibilité aux secteurs dans la pièce pour notamment les tirer avec 20 une force suffisante. Ceci rend impossible l'usage de tels mandrins pour certaines pièces trop petites ou qui nécessitent alors des outillages d'extraction complexes. Un exemple d'un tel mandrin est décrit dans le document WO 2012/110280 A2. Un cinquième type de mandrin est le mandrin vessie constitué d'une enveloppe élastomère souple et dont la rigidité est obtenue en remplissant 25 l'enveloppe d'un fluide sous pression. Ce type de mandrin est limité aux formes sphériques ou proches, comporte une limite en taille du fait de risques d'effet de souffle si la vessie est remplie d'une grande quantité de gaz sous pression et sa masse devient rédhibitoire s'il est rempli d'un liquide sous pression. Un exemple de réalisation combinant un mandrin à secteurs démontable et 30 une vessie gonflable est donné par le document EP 0 628 402 Al. La présente invention a pour but de réaliser un mandrin facile à réaliser et mettre en oeuvre, utilisable notamment pour des pièces longues et de petit diamètre, résolvant, entre autres, les problèmes liés aux importants efforts de 3066948 3 démoulage propre aux autres types de mandrins. La présente invention a aussi pour objet de réaliser un mandrin réutilisable au moins en partie. Brève description de l'invention Pour ce faire, la présente invention propose un mandrin pour réalisation de 5 pièces composites par bobinage filamentaire, qui comporte un noyau central solide réalisée en une ou plusieurs parties et un fil, tube, corde ou câble bobiné à spires jointives sur ledit noyau central et formant un bobinage sur ledit noyau. Avantageusement, le bobinage est recouvert d'un film de finition. Préférablement, le film de finition est un film thermo-rétractable, un film 10 élastique ou un film à coefficient de friction réduit tel qu'un film PTFE. Le noyau central et/ou la contre forme peuvent avantageusement être réalisés en mousse polymère ou en mousse élastomère. De manière alternative ou complémentaire, le noyau central et/ou la contre-forme peuvent être réalisés en bois, plastique, résine, ou en métal. 15 Avantageusement, les extrémités du fil, tube, corde ou câble dépassent du mandrin pour constituer des bouts libres formant des amorces de dé-bobinage du mandrin. Le mandrin de l'invention est particulièrement adapté à la réalisation d'une bielle cylindrique munie de rétreints et d'ouvertures à chacune de ses extrémités, 20 pour lequel le noyau central comporte une poutre centrale parallélépipédique de section adaptée à passer dans lesdites ouvertures à laquelle s'ajoutent des secteurs latéraux s'appliquant sur la poutre afin de former le mandrin. Préférablement, les secteurs latéraux s'interrompent afin de former les zones de rétreint dont la section ne correspond qu'à celle de la poutre centrale et 25 pour lequel la section des secteurs latéraux est définie telle que celle-ci soit compatible du passage par l'ouverture à l'extrémité de la pièce une fois constituée. La poutre et les secteurs latéraux sont avantageusement assemblés et recouverts d'un bobinage, réalisé avec le fil, corde ou câble qui est bobiné à spires 30 jointives sur le noyau central dans une direction perpendiculaire à l'axe principal de la bielle, ce bobinage solidarisant les éléments du noyau central et réalisant une couche supérieure du mandrin. 3066948 4 Le mandrin de l'invention est en outre adapté à la réalisation d'une pièce composite comportant des contre dépouilles telle qu'un réservoir pour propergols solides, ledit mandrin comportant alors en outre une contre-forme périphérique en une ou plusieurs parties recouvrant le fil bobiné sur le noyau central, contre forme 5 sur laquelle est réalisée la pièce. Le mandrin de l'invention est par ailleurs adapté à la réalisation de pièces fermées à une de leurs extrémités le noyau solide comportant dans ce cas deux extrémités opposées de section réduite sur un axe principal du mandrin et une section centrale de diamètre supérieur aux diamètres des extrémités et est entièrement recouvert du fil, tube, corde ou câble bobiné à spires jointives, le démoulage des pièces comportant une découpe du mandrin et la section du fil, tube, corde ou câble au niveau de la section centrale perpendiculairement à l'axe principal. Selon un mode de réalisation particulier, le câble peut notamment être 15 réalisé sous la forme d'un tube dans lequel un fluide peut circuler. Selon un autre mode de réalisation, le câble est métallique. Le câble peut alors constituer une résistance électrique chauffante. La présente invention propose ainsi une amélioration des mandrins mécaniques en une seul pièce ou démontables qui en élimine les plus grands 20 défauts et permet de remplacer les autres types de mandrins dans de nombreuses applications de réalisation de pièces composites de révolution par bobinage filamentaire. En outre, contrairement à la pratique et à l'art antérieur, la présente invention permet notamment de créer un état de surface rugueux à l'intérieur de la 25 pièce tout en permettant son démoulage. Contrairement à la pratique établie de rechercher un état de surface le plus lisse possible, un état de surface rugueux s'avère être un avantage pour des applications comme les réservoirs contenant des propergols solides où il faut réduire les risques de décollement du propergol par rapport à l'intérieur du 30 réservoir et éviter de créer des surfaces de combustion afin de réduire les risques d'inflammation non contrôlée du propergol. 3066948 5 Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront apparents à la lecture de la description qui suit d'un exemple non limitatif de réalisation de l'invention en référence aux dessins qui représentent: 5 aux figures 1A à 1C: des vues respectivement de côté, de dessus et de face d'une bielle pour laquelle s'applique l'invention; en figure 2: des pièces de mandrin selon un premier mode de réalisation de l'invention; en figure 3: un mandrin selon le mode de réalisation de la figure 1 en 10 cours de réalisation; en figure 4: le mandrin de la figure 3 terminé; en figure 5: une vue en perspective écorché d'un corps de propulseur réalisé selon l'invention; en figure 6A: une vue en perspective coupe d'une réalisation de deux corps de propulseurs en vis à vis; en figure 6B: une vue en perspective coupe d'un corps de propulseur après découpe. Description détaillée de modes de réalisation de l'invention Le principe de la présente invention consiste à rajouter un fil, un tube, une 20 corde ou un câble, formant un bobinage, autour d'une contre-forme pour réaliser un mandrin de fabrication d'une pièce composite. L'invention s'applique à toutes les méthodes de réalisation de pièces composites utilisant un mandrin, que ce soit notamment par drapage, placement de fibres, de rubans ou de filaments. Elle s'applique à des fabrications manuelles 25 ou assistées. Les applications se trouvent dans les capacités sans liner, les réservoirs de propergols solides, les dispositifs allumeurs de boosters réalisés par paire et tronçonnés et toute autre pièce composite fabriquée sur un mandrin. La contre-forme peut être réalisée dans un produit léger tel qu'une mousse 30 polymère ou une mousse élastomère expansée ou non, par exemple en polystyrène ou polyuréthane éventuellement recouvert d'une peau ou être réalisée dans un matériau plus rigide comme du bois ou de l'aluminium. 3066 94 8 6 L'invention est décrite ci-après dans le cadre de la réalisation d'une pièce telle qu'une bielle comportant un corps cylindrique dont les extrémités se terminent par des chapes de réception d'un axe reliées au corps cylindrique par des zones de rétreint. Une bielle composite est par exemple décrite dans le document FR 2 5 918 134 Al ou dans le document EP 0 626 250 Al. L'invention est toutefois applicable à la fabrication de nombreuses autres pièces de révolution telles que des réservoirs composites par exemple. Sur les figures 1 A à 1C on a représenté schématiquement un type de bielle 1 réalisable avec le procédé de l'invention. La bielle 1 est constituée d'une partie 10 courante creuse cylindrique, d'épaisseur de paroi constante, reliant deux têtes de bielle identiques en forme de chape 2 s'inscrivant dans un cylindre de diamètre légèrement inférieur à celui de la partie courante 1, les chapes étant reliées à cette dernière par une partie de raccordement 3 de section évolutive de la partie courante 1 à la chape 2. 15 Chaque chape 2 est constituée de deux joues parallèles 4 de section rectangulaire et percées de deux trous 5 en regard. Le mandrin sur laquelle va être bobinée la bielle doit pouvoir être retiré bien que les ouvertures aux extrémités de la bielle soient plus petites que le diamètre interne de la bielle. Pour cette application de l'invention, la contre-forme de réalisation du mandrin tel que représentée en figure 2 est réalisée en plusieurs parties 11, 12, 13. Elle comporte une partie centrale 11 sous la forme d'une poutre centrale parallélépipédique d'une longueur égale à la totalité de la bielle et s'étendant d'une extrémité à l'autre des chapes 4. Elle comporte en outre au moins deux flancs ou secteurs latéraux 12, 13 s'appliquant sur la poutre pour réaliser avec la poutre un noyau central de la partie cylindrique et des zones de rétreint de la bielle en plusieurs parties. La hauteur de la poutre et des secteurs latéraux est définie pour être inférieure à la hauteur de la section ouverte des chapes 4. Les différentes parties du noyau central sont ainsi adaptées à s'extraire de la bielle au travers de la section ouverte des chapes. Dans le cas où la hauteur de la section ouverte des chapes est faible, les secteurs latéraux peuvent être réalisés avec plusieurs lames assemblées chacune de hauteur inférieure à la hauteur de ladite section ouverte. La poutre et les secteurs latéraux sont assemblés et recouverts d'un fil, corde ou câble 14 bobiné à spires jointives dans une direction perpendiculaire à 3066948 7 l'axe principal de la bielle comme représenté en figure 3. Dans le cas présent, le bobinage est un bobinage superficiel qui solidarise les éléments du noyau central pour former le mandrin complet et réalise une couche externe sur le mandrin (on considère ici le terme mandrin comme englobant la contre-forme et le câble 5 enroulé). Le bobinage superficiel peut se faire au moyen d'une machine de bobinage, l'extrémité 14a du câble issue d'un dévidoir étant maintenue tendue pendant le bobinage. Selon cet exemple et comme représenté en figure 4, sans que ce soit obligatoire toutefois, le bobinage superficiel est lui même recouvert d'un 10 revêtement 15 tel qu'un film thermo rétractable, un film en matériau à faible coefficient de friction ou un manchon élastique extensible de faible épaisseur. Ce revêtement égalise la surface du mandrin, maintient le bobinage et constitue une peau sur laquelle va être réalisée la bielle par bobinage filamentaire ou drapage selon les techniques traditionnelles de réalisation de pièces composite avec 15 matrice et résine. Une fois terminé le mandrin comporte à chacune de ses extrémités un bout libre 14a, 14b du câble. Les bout libres pourront être utilisés pour débobiner le câble une fois la bielle réalisée et polymérisée. Pour le démontage, une étape de retrait du mandrin commence par un dé-bobinage du fil, corde ou câble qui est 20 tiré/débobiné par les ouvertures aux deux extrémités de la pièce. Un deuxième exemple d'application est représenté en figure 5 dans une configuration adaptée à réaliser un corps de propulseur 100 par exemple. Dans ce deuxième exemple, le mandrin comporte un noyau central 110 sur lequel est bobiné le fil 140. Sur le fil est positionnée une contre forme périphérique 25 150 formant des secteurs de peau de propreté qui recouvre le bobinage de fil 140. Au niveau du dôme du corps de propulseur se trouve un fond arrière 160 du mandrin. Pour le montage du mandrin le fil 140 est d'abord bobiné sur le noyau central 110 puis les secteurs de la contre forme 150 sont disposés sur le bobinage. La contre forme est éventuellement recouverte d'un film pour maintenir 30 les secteurs ensemble. Une fois la pièce composite réalisée sur ce mandrin, le fil 140 est retiré en le déroulant ce qui permet de sortir le noyau central 110. Une fois le noyau central 3066948 8 sorti, les secteurs constituant la contre-forme sont retirés puis le fond arrière est lui même retiré. La contreforme peut dans ce cas comporter des contre dépouilles. Selon un troisième mode de réalisation objet des figures 6A, 6B, un noyau central 210 est adapté à réaliser deux pièces 200a, 200b coniques ou tubulaires 5 fermées à l'une de leurs extrémités et en vis-à-vis. Selon la figure 6A, ce noyau central 210 est directement recouvert avec un fil bobiné 240 et le matériau composite est déposé sur l'ensemble pour former une enveloppe 200 ayant la forme globale des deux pièces à réaliser en vis-à-vis. Une fois la résine polymérisée, l'enveloppe est découpée en deux parties selon un plan 10 médian P perpendiculaire à l'axe principal de l'enveloppe, au milieu d'un anneau 220disposé sur le bobinage de fil 240.. En figure 6B est représenté une demi coque de réalisation d'un corps de propulseur issue du moulage de la figure 6A. Les bouts 240a du fil au niveau de la découpe sont alors tirés pour dérouler le bobinage et libérer ainsi les pièces réalisées des demi noyaux 210a, 210b. Les fil, 15 tube, corde ou câble peuvent être réalisés dans divers matériaux qui seront choisis en fonction de l'application. Un fil métallique ou un câble tressé acier de diamètre de l'ordre du millimètre est une solution utilisable dans les applications industrielles et notamment pour les pièces cylindriques ou de section circulaire comme une bielle. Selon le diamètre de la pièce, la section du fil corde ou câble 20 sera adaptée selon un compromis entre la longueur de câble acceptable et l'état de surface voulu. Pour des pièces de section carrée ou munie d'angles arrondis, une corde en matériau souple sera préférentiellement choisie. En tout état de cause, les efforts de retrait du fil, tube, corde ou câble (ci-après collectivement appelés câble) restent faibles à modérés du fait de 25 l'enroulement du câble dans une direction pratiquement perpendiculaire à l'axe de traction sur le câble et de sa souplesse. En outre dans le cas où un câble est recouvert d'un film, ce dernier évite un collage du câble avec la résine de la bielle. Dans le cadre de l'invention, le câble peut notamment avoir des fonctions 30 complémentaires. Le câble peut notamment être réalisé sous la forme d'un tube dans lequel un fluide peut circuler. Ceci permettrait par exemple avec un fluide chaud de chauffer directement la pièce pour polymérisation ce qui peut remplacer une étuve, ou, en mettant le fluide sous pression, de créer une dilation du mandrin 3066948 9 améliorant le compactage du composite. Dans le cas d'un tuyau de section réduite ajoutant une faible épaisseur au mandrin, le faible volume de fluide fait que l'on n'a pas de risque d'effet de souffle en cas de rupture contrairement au mandrin vessie. Dans le cas d'un câble métallique il est aussi possible de faire circuler un 5 courant électrique dans le câble qui fait alors office de résistance chauffante. Le câble peut être d'une quelconque géométrie (section circulaire, carrée...) et nature (acier, corde de coton, matériau thermoplastique pouvant être fondu à haute température pour détruire le câble...), et être tressé ou sous forme de fil unitaire. 10 Le retrait du câble créé un jeu entre la pièce et le mandrin. Toutes les contraintes qui lient le mandrin et la pièce, ou les secteurs de mandrin entre eux, sont libérées. Il n'y a plus aucun effort d'extraction pour sortir le mandrin de la pièce ce qui évite que le mandrin reste coincé dans la pièce et facilite grandement le travail des opérateurs. Le retrait du mandrin est plus rapide, cause moins de 15 fatigue physique et l'invention réduit le nombre d'opérations et les risques d'abimer la pièce en évitant par exemple les chocs au maillet pour débloquer les secteurs. Le mandrin et le câble sont réutilisables et le résultat reproductible. L'invention permet en outre de simplifier la géométrie des secteurs du mandrin et permet d'éviter d'ajouter des angles de dépouille. 20 L'invention permet notamment d'utiliser des mandrins réutilisables en remplacement des mandrins solubles/perdus et apporte un gain de coût sur la conception, la fabrication et l'utilisation du mandrin dans son ensemble en série ou pour du prototypage. L'invention peut s'appliquer à des pièces creuses d'autres formes 25 réalisables par drapage, bobinage filamentaire ou autre procédé de réalisation de pièces composites. REVENDICATIONS1 - Mandrin pour réalisation de pièces composites par bobinage filamentaire, caractérisé en ce qu'il comporte un noyau central solide réalisée en une ou plusieurs parties (11, 12, 13) et un fil, tube, corde ou câble bobiné à spires jointives sur ledit noyau central et formant un bobinage sur ledit noyau. 2 - Mandrin selon la revendication 1 pour lequel le bobinage est recouvert d'un film de finition. 3 - Mandrin selon la revendication 2 pour lequel le film de finition est un film thermo-rétractable, un film élastique ou un film à coefficient de friction réduit tel qu'un film PTFE. 4 - Mandrin selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 pour lequel le noyau central et/ou la contre forme sont réalisés en mousse polymère ou en mousse élastomère. 5 - Mandrin selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 pour lequel le noyau central et/ou la contre-forme sont réalisés en bois, plastique, résine, ou 15 en métal. 6 - Mandrin selon l'une quelconque des revendications précédentes pour lequel les extrémités (14a, 14b) du fil, tube, corde ou câble dépassent du mandrin pour constituer des bouts libres formant des amorces de dé-bobinage du mandrin. 20 7 - Mandrin selon l'une quelconque des revendications précédentes adapté à la réalisation d'une bielle cylindrique munie de rétreints et d'ouvertures à chacune de ses extrémités, pour lequel le noyau central comporte une poutre centrale parallélépipédique de section adaptée à passer dans lesdites ouvertures à laquelle s'ajoutent des secteurs latéraux s'appliquant sur la poutre afin de former 25 le mandrin. 8 - Mandrin selon la revendication 7 pour lequel les secteurs latéraux s'interrompent afin de former les zones de rétreint dont la section ne correspond qu'à celle de la poutre centrale et pour lequel la section des secteurs latéraux est définie telle que celle-ci soit compatible du passage par l'ouverture à l'extrémité de 30 la pièce une fois constituée. 3066948 11 9 - Mandrin selon la revendication 7 ou 8 pour lequel la poutre et les secteurs latéraux sont assemblés et recouverts d'un bobinage, réalisé avec le fil, corde ou câble (14) qui est bobiné à spires jointives sur le noyau central dans une direction perpendiculaire à l'axe principal de la bielle (1), ce bobinage solidarisant 5 les éléments du noyau central et réalisant une couche supérieure du mandrin. 10- Mandrin selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, adapté à la réalisation d'une pièce composite comportant des contre dépouilles telle qu'un réservoir pour propergols solides, pour lequel ledit mandrin comporte en outre une contre-forme périphérique en une ou plusieurs parties recouvrant le fil bobiné sur 10 le noyau central, contre forme sur laquelle est réalisée la pièce. 11 - Mandrin selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, adapté à la réalisation de pièces fermées à une de leurs extrémités pour lequel le noyau solide comporte deux extrémités opposées de section réduite sur un axe principal du mandrin et une section centrale de diamètre supérieur aux diamètres des extrémités et est entièrement recouvert du fil, tube, corde ou câble bobiné à spires jointives, le démoulage des pièces comportant une découpe du mandrin et la section du fil, tube, corde ou câble au niveau de la section centrale perpendiculairement à l'axe principal. 12- Mandrin selon l'une quelconque des revendications précédentes 20 pour lequel le câble est réalisé sous la forme d'un tube dans lequel un fluide peut circuler. 13- Mandrin selon l'une quelconque des revendications précédentes pour lequel le câble est métallique. 14- Mandrin selon la revendication 13 pour lequel le câble constitue une 25 résistance électrique chauffante.