Brevet FR3092784A1 — publié le 20200821

Description Titre de l'invention : Procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite Domaine technique de l'invention [0001] La présente invention a trait au domaine des pièces réalisées en matériaux composites, et plus particulièrement à leur procédé de fabrication. La présente application trouve une application particulière dans le domaine de fabrication des bielles pour le domaine aéronautique, et pour toute pièce en matériau composite pour des applications industrielles. Etat de la technique antérieure [0002] Classiquement, les matériaux composites comprennent une matrice, thermoplastique ou thermodurcissable, dans laquelle sont noyées des fibres de renfort. La matrice consiste généralement en une résine de résistance spécifique bien inférieure à celles des fibres. Les pièces fabriquées avec de tels matériaux composites sont conçues de sorte que la transmission des efforts privilégie la mise en traction ou en compression pure des fibres afin de ne pas solliciter la résine. Le matériau composite est ainsi composé de couches de fibres orientées dans la direction desdits efforts, ou tout du moins dans des directions proches. [0003] Les pièces en matériaux composites trouvent aujourd'hui de nombreuses applications en remplacement de pièces classiques en métal grâce à leurs propriétés particulièrement avantageuses. Leur structure fibreuse leur permet d'être soumises à des efforts en traction et/ou compression importants avec un poids réduit. [0004] Dans ce contexte, la fabrication de pièces en matériaux composites nécessite des procédés de production, de stockage et de manutention fiables, rapides et automatisés afin de faire face à un volume toujours croissant. [0005] De tels procédés comprennent de manière connue une étape préliminaire de fa- brication d'un matériau composite sous la forme de feuilles qui est enroulé autour d'un mandrin cylindrique. Dans le cas où le matériau composite comprend une matrice en résine pré-imprégnée, un film séparateur est apposé à une face du matériau composite avant de l'enrouler sur le mandrin. Les procédés comprennent ensuite une étape lors de laquelle le matériau composite est déroulé du mandrin puis coupé dans une forme de la pièce souhaitée. Ces étapes sont généralement effectuées dans des lieux de fabrication différents, impliquant des contraintes de stockage, de logistique, d'encombrement et de transport. [0006] De plus, chaque pièce ne peut pas être coupée directement sur le mandrin. Le matériau composite doit être déroulé puis coupé sur un support avec un équipement 2 dédié. La manipulation se révèle complexe en raison des grandes dimensions des mandrins et des feuilles de matériau composite. Ces pièces doivent ensuite être stockées, ce qui compte-tenu des volumes de productions peut représenter une importante surface de stockage dans des bâtiments dédiés. [0007] Un autre problème qui peut se poser est le retrait du film séparateur une fois la pièce coupée dans le matériau composite. Cette étape est particulièrement lente et contraignante, notamment à température ambiante. [0008] Les procédés connus aujourd'hui impliquent de nombreuses manipulations du matériau composite, du mandrin, des pièces, par des opérateurs sur les chaînes de fabrication. Il est souhaitable d'automatiser ces étapes pour des gains de temps, d'efficacité, et de coûts. Résumé de l'invention [0009] La présente invention vise à remédier à ces inconvénients susmentionnés. [0010] Plus particulièrement, la présente invention vise à prévoir un procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite largement automatisée, simple à mettre en oeuvre avec des équipements relativement communs et peu onéreux. [0011] L'invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite comprenant les étapes suivantes : a. Un matériau composite sous forme dc feuille est enroulé autour d'un mandrin cylindrique de façon à former au moins une couche de matériau ; b. Le matériau composite est coupé directement sur le mandrin sous la forme d'une bande continue et de largeur définie ; c. Une extrémité libre de la bande de matériau composite est montée sur une bobine dc dimensions réduites par rapport au mandrin cylindrique et de surface de support cylindrique de largeur adaptée pour ladite bande, la bande de matériau composite étant ensuite enroulée autour dc ladite surface de support de la bobine ; et d. Lors d'une étape finale, la bande de matériau composite est déroulée de la bobine, puis coupée pour former une pièce de dimensions définies. [0012] Grâce à l'invention, l'ensemble des opérations peut être effectué de manière au- tomatisée, avec un minimum de manipulations par des opérateurs sur les chaînes de fabrication. [0013] En effet, l'enroulement du matériau composite sous forme de feuille sur le mandrin est aisément automatisable en sortie de fabrication du matériau composite, en assurant une rotation contrôlée dudit mandrin. La découpe sous forme de bande du matériau composite est effectuée directement sur le mandrin, sans avoir à retirer le matériau du mandrin. 3 100141 Ensuite le mandrin et la bobine peuvent être mis en rotation automatisée avec des mouvements synchronisés afin d'assurer le déroulage de la bande de matériau composite depuis le mandrin vers la bobine. [0015] Enfin la découpe finale d'une pièce depuis la bande peut être automatisée par une mise en rotation de la bobine pour le déroulage de la bande, celle-ci étant ensuite coupée par une machine de coupe industrielle. [0016] Un autre avantage du procédé conforme à l'invention est qu'il requiert des équipements communs et simples à manipuler, transporter, et stocker. En particulier le matériau composite sous forme de bande enroulée sur une bobine est particulièrement pratique pour une mise en oeuvre automatisée, comme mentionné précédemment, et une maintenance simplifiée. [0017] Par ailleurs, il n'est plus nécessaire d'assurer le stockage de pièces en matériau composite découpées, mais seulement des bobines. La découpe finale d'une pièce peut ainsi être réalisée juste avant la mise en place de ladite pièce dans son application finale. Les bobines sont de dimensions réduites et sont plus facilement stockables qu'un mandrin. De plus, une même bobine peut stocker une pluralité de pièces sous la forme de bande avant leur découpe finale. [0018] Enfin, le procédé conforme à l'invention est modulaire et peut être adapté pour toutes formes et dimensions de pièces en matériau composite. [0019] Selon d'autres caractéristiques avantageuses mais non obligatoires de l'invention, un tel procédé peut également inclure les caractéristiques suivantes, prises isolément ou avec toute combinaison techniquement admissible : L'étape (b) consiste en une découpe du matériau composite directement sur le mandrin par un couteau dont l'axe de découpe est sensiblement incliné par rapport à la bordure dudit matériau composite enroulé, ledit couteau étant déplaçable axialement, le mandrin étant mis en rotation synchronisée avec le déplacement axial du couteau de manière à assurer une découpe hélicoïdale du matériau composite et ainsi former une bande continue et de largeur définie. Le matériau composite est préalablement pourvu d'un film séparateur sur une de ses faces, et enroulé sur le mandrin lors de l'étape (a) avec ledit film. Le film séparateur est retiré en parallèle de l'étape (c). Lors de l'étape (c), une extrémité libre de la bande de matériau composite est montée sur une première bobine et une extrémité libre du film séparateur est séparé de la bande de matériau composite et montée sur une second bobine, la bande de matériau composite et le film séparateur étant ensuite enroulés simultanément autour de leurs bobines respectives. Brève description des figures 100201 L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif. [0021] La description est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : [0022] [fig.1] est une vue générale des équipements pour la mise en oeuvre d'un procédé de fa- brication d'une pièce en matériau composite conforme à un mode de réalisation de l' invention ; et [0023] [fig.2] est une vue en perspective d'une bielle en matériau composite équipée d'une pièce de raccord fabriquée par le procédé avec les équipements de la Figure 1. Description détaillée de l'invention [0024] Sur la Figure 1 est représentée une vue d'un système, référencé 1 dans son ensemble, pour la mise en oeuvre d'un procédé de fabrication de pièces en matériau composite. [0025] Lc système comprend un mandrin 2 de surface extérieure cylindrique, et est d'axe de rotation X2. Lc mandrin 2 est pourvu de deux axes d'extrémité 3, 4 montés en rotation dans des supports 5, 6, respectivement afin d'assurer une tenue au sol. De manière avantageuse, le mandrin 2 peut se désolidariser des supports 5, 6 et/ou les supports 5, 6 sont mobiles. [0026] Lc mandrin 2 peut être mis en mouvement de rotation m2 autour de l'axe X2 par un actionneur commandé (non représenté). [0027] Dans un exemple de réalisation, le mandrin 2 a une longueur de 2 mètres pour un diamètre de 1 mètre. [0028] Un matériau composite référencé 7 est enroulé autour de la surface extérieure cy- lindrique du mandrin 2. Lc matériau composite 7 comprend une matrice, thermoplastique ou thermodurcissable, dans laquelle sont noyées des fibres de renfort. Lc matériau composite 7 est préalablement sous forme d'une feuille enroulée autour du mandrin 2 et formée au moins une couche, voire une pluralité de couches superposées. [0029] Lc système 1 comprend également une bobine 8 positionnée préférentiellement ra- dialement et à un certain espacement du mandrin 2. [0030] La bobine 8 comprend une surface extérieure cylindrique 9, et est d'axe de rotation X8. De manière avantageuse, les axes de rotation X8 et X2 sont parallèles entre eux. [0031] La bobine comprend en outre deux rebords de centrage 10, 11 situés axialement de part et d'autre de la surface de support 9 cylindrique. [0032] La bobine peut être mise en mouvement de rotation w8 autour de l'axe X8 par un ac- tionneur commandé (non représenté). [0033] La bobine est de dimensions réduites par rapport au mandrin 2. Dans un exemple de réalisation, la surface de support 9 cylindrique a un diamètre de 300 millimètres. [0034] Conformément à l'invention, le procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite comprend les étapes qui suivent. [0035] Le matériau composite 7, enroulé autour du mandrin cylindrique 2, est coupé di- rectement sur ledit mandrin sous la forme d'une bande 7-1. [0036] De manière préférentielle, la découpe du matériau composite 7 se fait par un couteau (non représenté) dont l'axe de découpe est sensiblement incliné par rapport à la bordure dudit matériau composite 7 enroulé. Ledit couteau est planté à une extrémité du matériau composite 7, de manière à traverser l'ensemble des couches enroulées sur le mandrin 2. Le couteau est déplacé axialement, le mandrin étant mis en rotation m2 synchronisée avec le déplacement axial du couteau de manière à assurer une découpe hélicoïdale du matériau composite 7, et ainsi former la bande 7-1 continue et de largeur définie. [0037] De manière particulièrement avantageuse, la largeur de la bande 7-1 de matériau composite 7, ou pas de découpe, correspond à la largeur de la pièce à fabriquer. Préférentiellement, la surface de support 9 cylindrique de la bobine 8 est de largeur adaptée à ce pas de découpe. [0038] Par suite du procédé, une extrémité libre 7-2 de la bande 7-1 de matériau composite 7 est montée sur la surface extérieure cylindrique 9 de la bobine 8. [0039] La bobine 8 et le mandrin 2 sont chacun mis en rotation (08, (02 autour de leurs axes respectifs X8, X2. Les vitesses des rotations (o8, (n2 sont synchronisées par un actionneur commandé. La bande 7-1 de matériau composite 7 est ainsi enroulée autour de ladite surface de support 9 cylindrique de la bobine 8, la bande 7-1 étant guidée par les rebords 10, 11. [0040] Une fois que l'espace radial disponible autour de la surface de support 9 de la bobine 8 se trouve rempli, la bande 7-1 est coupée. La bobine 8 est alors stockée, et une nouvelle bobine (similaire ou non) est mise en place. Cette opération est répétée autant de fois que nécessaire. [0041] Une fois le matériau composite 7 entièrement déroulé sur une ou plusieurs bobines 8, le mandrin 2 est remplacé par un nouveau pourvu de matériau composite 7, les étapes précédentes étant répétées. Les bobines 8 sont quant à elles stockées et éventuellement transportées vers un lieu de fabrication final de la pièce composite. [0042] Enfin, lors d'une étape finale, la bande 7-1 de matériau composite 7 est déroulée de la bobine 8 sur un support, puis coupée pour former une pièce. Lors de cette étape, la pièce de matériau composite de dimensions et de forme définies est fabriquée depuis la bande 7-1. [0043] A titre d'exemple, la Figure 2 illustre une bielle 12 en matériau composite pourvue d'une pièce de renfort 13 fabriquée par le procédé conforme aux étapes précédemment décrites. 6 [0044] La bielle 12 comprend un corps 14 formé d'un seul tenant. Le corps 14 est tubulaire et est prolongé à ses extrémités par des sangles 15, 16. Ces sangles 15, 16 sont chacune pourvue d'une ouverture 17, 18, respectivement. [0045] La bielle 12 trouve une application particulière dans le domaine de l'aéronautique. [0046] Une extrémité 15 de la bielle 12 est renforcée de chaque côté par une pièce de renfort 13 de longueur LI 3, de largeur 113, et de forme prédéfinic. [0047] La pièce de renfort 13 est formée d'un matériau composite 7. Une bande 7-1 de largeur 113 est découpée directement sur le mandrin 2, ladite bande étant ensuite enroulé sur une bobine 8. Lors d'une étape finale, la bande 7-1 est découpée successivement sur une longueur L13 afin de former des portions ensuite coupées à la forme souhaitée pour la pièce 13. De manière alternative, la bande 7-1 est directement coupée successivement à la forme souhaitée pour la pièce 13 avec un outil de type emporte-pièce. La pièce 13 est par la suite solidarisé à l'extrémité 15 de la bielle 12. [0048] La pièce 13 n'est qu'un mode de réalisation fourni à titre d'exemple non limitatif. Le procédé de fabrication conforme à l'invention est applicable à tous types de pièces, de formes, de dimensions et d'applications adaptées. [0049] Selon un mode de réalisation illustré en Figure 3 et particulièrement avantageux de la présente invention, le matériau composite 7 comprend un film séparateur 19 apposé à une face inférieure du matériau composite 7 avant de l'enrouler sur le mandrin 2. [0050] Le système 1 comprend un outre une seconde bobine 20, similaire ou non à la première bobine 8. [0051] La bobine 20 comprend une surface de support 21 cylindrique, et est d'axe de rotation X20. De manière avantageuse, les axes de rotation X20, X8 et X2 sont parallèles entre eux. [0052] La bobine 20 comprend en outre deux rebords de centrage 22, 23 situés axialement de part et d'autre de la surface de support 21 cylindrique. [0053] La bobine 20 peut être mise en mouvement de rotation w20 autour de l'axe X20 par un actionneur commandé (non représenté). [0054] Le procédé de fabrication selon ce mode de fabrication comprend en outre l'étape de monter une extrémité libre 7-2 de la bande 7-1 de matériau composite 7 sur la première bobine 8, de séparer une extrémité libre 19-1 du film séparateur 19 de la bande 7-1, et de monter cette extrémité 19-1 sur la second bobine 20. La bande 7-1 de matériau composite 7 et le film séparateur 19 sont ensuite enroulés simultanément autour de leurs bobines 8, 20 respectives. [0055] Les vitesses des rotations w20, w8, w2 sont synchronisées par un actionneur commandé. La bande 7-1 de matériau composite 7 est ainsi enroulée autour de la surface de support 9 cylindrique de la première bobine 8, la bande 7-1 étant guidée par les rebords 10, 11, tandis que, simultanément et en parallèle, le film séparateur 19 est 7 retiré dudit bande 7-1 en étant enroulé autour de la surface de support 21 cylindrique de la second bobine 20. [0056] En outre, les caractéristiques techniques des différents modes de réalisation peuvent être, en totalité et seulement pour certaines d'entre elles, combinées entre elles. Ainsi, le dispositif de poulie peut être adapté en termes de coûts, de performance et de simplicité de mise en oeuvre. 8 [Revendication 1]