Titre : PROCEDE DE FABRICATION D’UNE PIECE AXISYMETRIQUE CREUSE EN MATERIAU COMPOSITE DOMAINE TECHNIQUE

La présente invention concerne un procédé de fabrication d’une pièce axisymétrique creuse en matériau composite ainsi qu’une telle pièce obtenue par ce procédé.

En particulier, l’invention concerne un procédé de fabrication d’une pièce axisymétrique creuse en matériau composite de grandes dimensions, notamment de longueur supérieure à 50 m, par exemple destinée à former un mât de bateau, notamment de paquebot. Technique antérieure

Les mâts de bateaux de grandes dimensions, notamment de bateaux à voiles, d’une longueur par exemple égale à 85 m, sont réalisés généralement à l’aide de procédés coûteux en main d’œuvre, en matériaux (préimprégnés), en outillage. De plus, ces procédés nécessitent de nombreuses opérations manuelles, avec réalisation de raccords, de recouvrements entre plis, de découpes, de compactages, ce qui génère en particulier des coûts et des risques de défauts.

Par ailleurs, de tels procédés ne permettent pas, du fait des moyens existants et des infrastructures d’atelier, de réaliser d’une seule pièce le mât présentant une longueur supérieure à 50 m, de telle sorte qu’il est nécessaire d’assembler des tronçons entre eux pour réaliser le mât. De plus, les mâts sont obtenus en demi-coques, ce qui nécessite un collage structural au niveau du joint, sur la longueur du mât. Les zones d’assemblage et de jonctions par collage sont des zones généralement plus fragiles qui sont les premières à rompre sous sollicitations dynamiques, notamment avec le vieillissement de la structure en environnement humide. Chaque zone d’assemblage ou de jonction constitue une zone de faiblesse diminuant la performance du mât.

De plus, du point de vue du procédé, l’assemblage nécessite une logistique complexe (avec des risques d’endommagement lors du transfert de nombreux éléments), des outillages spécifiques, des opérations préalables de contrôle, de parachèvement, voire de réparations avant d’assurer l’accostage et la mise en position de pièces à assembler. Réaliser des assemblages génère des problématiques de tolérances géométriques, demande une quantité significative d’outillages, nécessite une durée importante de mise en œuvre et engendre donc des coûts de fabrication et/ou réparation conséquents. Enfin, la réalisation d’un tel mât selon les procédés actuels est coûteuse, d’autant plus que la longueur des tronçons est réduite et que le nombre de jonctions est élevé.

Un moyen de cuisson d’une longueur de 100 m est certes envisageable, mais le coût pour ce dispositif spécifique serait exorbitant.

Il existe ainsi un besoin pour disposer d’un procédé de fabrication de pièce axisymétrique creuse en matériau composite, notamment de grande longueur, qui soit davantage automatisé, qui permette de réaliser la pièce en entier sans nécessiter d’assemblage ou en limitant le nombre d’assemblages, plus économe en main d’œuvre, en outillage et en matériau et permette d’obtenir une pièce aux propriétés mécaniques améliorées, notamment une meilleure résistance au flambement et sous sollicitations dynamiques.

Exposé de l’invention

L’invention vise à répondre à tout ou partie de ce besoin. Elle y parvient grâce à un procédé de fabrication d’une pièce axisymétrique creuse en matériau composite s’étendant selon un axe longitudinal, comportant les étapes suivantes : a) Etape a : réaliser un tube par pultrusion de fibres avec ou sans imprégnation des fibres avec un matériau polymère, b) Etape b : découper le tube dans sa longueur en une pluralité de sections de tube, c) Etape c : disposer tout ou partie des sections de tube autour d’un mandrin, notamment de manière à ce que les sections de tube épousent sensiblement une surface extérieure du mandrin, d) Etape d : réaliser un enroulement filamentaire de fibres autour du mandrin et des sections de tube, e) Etape e : le cas échéant démouler du mandrin la pièce axisymétrique creuse formée par l’enroulement filamentaire et les sections de tube.

Grâce à l’invention, on bénéficie d’un procédé qui permet de fabriquer d’un seul tenant la pièce axisymétrique, même si celle-ci est de grandes dimensions, par exemple de longueur supérieure à 50 m.

Ce procédé met en œuvre deux procédés automatisés, implémentés successivement, permettant d’obtenir des pièces creuses de section transversale fermée, l’un consistant en une pultrusion et l’autre consistant en la réalisation d’un enroulement filamentaire.

La pultrusion permet de faire des pièces de longueur presque infinie avec des taux de fibres volumiques jusqu’à 70%, avec des fibres très fortement orientées (unidirectionnelles) dans la direction de la pultrusion. Elle est utilisée pour des pièces fortement sollicitées en traction et en flexion dans une direction principale. Cette technologie très robuste et répétable permet de faire des profils de forme complexes. En revanche, elle ne permet pas de faire varier l’épaisseur du profil dans la longueur du profilé. Elle ne permet pas non plus d’orienter les fibres dans une direction désaxée par rapport à la direction de la pultrusion. Les pièces pultrudées possèdent donc de faibles performances en compression (flambement lors de la compression des fibres à 0°). Il est possible de faire de la pultrusion renforcée, également appelée pull-winding, par enroulement des renforts à 0° avec des fibres désaxées de 35° à 80°. Cela permet d’améliorer les propriétés des tubes soumis à des efforts de compression axiale, mais la pultrusion renforcée ne permet pas de faire varier les épaisseurs et les empilements (lâchers de plis à 0°, par exemple), dans la longueur d’une pièce axisymétrique. De plus, le procédé de pull-winding utilise des carrousels pour déposer les fibres désaxées et la taille des bobines de fils embarquées sur les carrousels n’est pas adaptée aux pièces de grandes dimensions (encombrement des bobines de fils ou rovings sur les carrousels ou de petites bobines nécessitant de nombreux temps de chargement/déchargement de bobines de fils).

L’enroulement filamentaire est aussi un procédé permettant de faire des pièces creuses très robustes. Cette technologie permet de réaliser des pièces avec un taux volumique de fibres TVf très élevé et est utilisée pour la réalisation de pièces sollicitées en pression interne telles que des réservoirs. Cette technologie est particulièrement adaptée aux pièces sollicitées en torsion, par exemple. Les fibres sont désaxées entre 45° et 90°. Il n’est pas possible d’orienter les fibres dans le sens longitudinal avec un angle inférieur à -45° sous risque de faire glisser les fibres sur le mandrin ou la forme moulante.

Ces deux procédés de pultrusion et d’enroulement filamentaire présentent l’avantage d’être peu coûteux. L’étape a comporte de préférence l’introduction dans une filière de pultrusion d’un ensemble de fibres, par exemple sous forme de mèches, de manière à produire ledit tube à la sortie de la filière.

L’étape a) peut comporter une étape d’imprégnation des fibres, notamment de mèches de fibres, à l’aide d’un matériau polymère, notamment d’une résine, de préférence thermodurcissable, avant passage dans une filière de pultrusion pour la réalisation du tube. L’imprégnation des fibres, notamment des mèches de fibres a de préférence lieu dans un bain de matériau polymère, notamment de résine. En variante, on intercale entre les fibres un matériau polymère sous forme de film de résine pré-polymérisé. Les fibres, après imprégnation, sont notamment rassemblées dans la filière de pultrusion. La filière de pultrusion est de préférence de courte dimension et chauffante. La filière de pultrusion permet de conformer la matière constituée par les fibres imprégnées, notamment les mèches de fibres imprégnées. Les fibres imprégnées et ainsi conformées en tube sont alors de préférence tirées hors de la filière de pultrusion et le tube formé est notamment acheminé sur des rouleaux et entraîné en rotation.

En variante, l’étape a) peut être réalisée sans imprégnation des fibres avec un matériau polymère, le tube réalisé par pultrusion consistant en une préforme sèche tubulaire pultrudée. Dans ce cas, aucune imprégnation n’est réalisée avant passage dans la filière de pultrusion. Le tube est alors réalisé essentiellement de fibres, avec éventuellement un liant. Une imprégnation ultérieure, par exemple par infusion dans un bain de matériau polymère, est de préférence alors prévue.

Les fibres à l’étape a) s’étendent de préférence longitudinalement ou sont orientées par rapport à l’axe longitudinal du tube selon un angle compris entre +20° ou -20°, notamment compris entre +10° et -10°. On obtient ainsi, à l’issue de l’étape a, un tube avec des fibres unidirectionnelles et/ou seulement légèrement désaxées.

En effet, le procédé de pultrusion permet généralement de réaliser avec la filière de pultrusion, un tube avec des fibres orientées selon une seule direction, dans le sens de la longueur de la pièce. Environ 80% des fibres sont par exemple orientées selon un angle nul par rapport à l’axe longitudinal du tube. Lors de la pultrusion, on peut rapporter une partie, notamment environ 20%, de fibres orientées selon un angle compris entre -20° et +20°. Ces dernières sont légèrement désaxées. L’enroulement filamentaire peut être réalisé de manière à obtenir au moins une couche, notamment biaxiale ou triaxiale, avec des orientations d’angles +45°, -45° et/ou 90°. L’enroulement filamentaire peut être réalisé selon une succession de couches avec des orientations de fibres d’angles suivants : +45 ^o /90%45 +45 90%45° ou +457- 45707907+457-45° ou encore -457907+457-457907+45°.

Les fibres utilisées à l’étape a) de pultrusion et/ou les fibres utilisées à l’étape d) d’enroulement filamentaire sont de préférence choisies dans le groupe constitué par des fibres de carbone, notamment des fibres de carbone HR ou des fibres de carbone HM, des fibres de verre, notamment des fibres de verre R ou des fibres de verre E, et des fibres d’aramide, notamment de Kevlar®, de préférence des fibres de carbone, notamment continues. Les fibres peuvent avoir différentes catégories de raideur. Les fibres peuvent être à haute résistance. Les fibres peuvent être à haut module ou à module intermédiaire.

En particulier, il est possible de choisir des fibres de verre R, c’est-à-dire des fibres de verre à hautes performances, qui présentent un diamètre de filament de 10 pm, une masse volumique de 2500kg. m ³ , un module d’élasticité de 86000MPa, un coefficient de Poisson de 0.2, une contrainte de rupture en traction de 3200MPa, un allongement à la rupture de 4%, un coefficient de dilatation thermique de 0.3*10 ⁵ K ^_1 , une conductivité thermique à 20°C de 1°C ^_1 et une température limite d’utilisation de 700°C.

Il est encore possible de choisir des fibres de verre E, c’est-à-dire des fibres de verre pour applications courantes, qui présentent un diamètre de filament de 16 pm, une masse volumique de 2600kg. m ³ , un module d’élasticité de 74000MPa, un module de cisaillement de 30000 GPa, un coefficient de Poisson de 0.25, une contrainte de rupture en traction de 2500MPa, un allongement à la rupture de 3.5%, un coefficient de dilatation thermique de 0.5* 10 ⁵ K ¹ , une conductivité thermique à 20°C de 1°C ^_1 et une température limite d’utilisation de 700°C.

Il est encore possible de choisir des fibres d’aramide, nommées Kevlar®, qui présentent un diamètre de filament de 12 pm, une masse volumique de 1450kg.m ³ , un module d’élasticité de 130000MPa, un module de cisaillement de 12000GPa, un coefficient de Poisson de 0.4, une contrainte de rupture en traction de 2900MPa, un allongement à la rupture de 2.3%, un coefficient de dilatation thermique de -0.2* 10 ⁵ K ¹ et une conductivité thermique à 20°C de 0.03°C ^_1 . Il est encore possible de choisir des fibres de carbone HR, c’est-à-dire des fibres de carbone à haute résistance, qui présentent un diamètre de filament de 7 pm, une masse volumique de 1750kg.m ³ , un module d’élasticité de 230000MPa, un module de cisaillement de 50000 GPa, un coefficient de Poisson de 0.3, une contrainte de rupture en traction de 3200MPa, un allongement à la rupture de 1.3%, un coefficient de dilatation thermique de 0.02* 10 ⁵ K ¹ , une conductivité thermique à 20°C de 200°C ^_1 , une conductivité à 800°C de 60°C ^_1 et une température limite d’utilisation supérieure à 1500°C.

Il est encore possible de choisir des fibres de carbone HM, c’est-à-dire des fibres de carbone à haut module, qui présentent un diamètre de filament de 6.5 pm, une masse volumique de 1800kg.m ³ , un module d’élasticité de 390000MPa, un module de cisaillement de 20000 GPa, un coefficient de Poisson de 0.35, une contrainte de rupture en traction de 2500MPa, un allongement à la rupture de 0.6%, un coefficient de dilatation thermique de 0.08* 10 ⁵ K ¹ et une température limite d’utilisation supérieure à 1500°C.

Les fibres sont choisies de préférence en fonction des propriétés mécaniques recherchées telles que la résistance au chargement en torsion, en flexion, en compression, et des dimensions prévues de la pièce axisymétrique creuse finale ainsi éventuellement que de leur positionnement sur la pièce et des sollicitations mécaniques auxquelles elles doivent résister à l’endroit de la pièce où elles sont positionnées. Les fibres utilisées à l’étape a) de pultrusion et les fibres utilisées à l’étape d) d’enroulement filamentaire peuvent ainsi être différentes entre elles pour répondre à ces objectifs.

Les fibres utilisées à l’étape a) sont de préférence sous forme de mèches de fibres, notamment unitaires ou juxtaposées. Les mèches de fibres, notamment de fibres de carbone, peuvent être de type 24K ou 50K pour le nombre de filaments par exemple. Elles peuvent être choisies parmi celles qui sont commercialisées par les sociétés Mitsubishi, Dow Corning, Toray ou encore TEIJIN (TOHO TENAX), SGL, TEIJIN (TOHO TENAX), SGL, ZOLTEK, GURIT, HEXCELGURIT, HEXCEL.

Le procédé peut encore comporter l’étape consistant à imprégner les fibres de l’enroulement filamentaire avec un matériau polymère, notamment thermodurcissable, avant ou au cours de la réalisation de l’enroulement filamentaire autour du mandrin et des sections de tube. Pour l’imprégnation des fibres de l’enroulement filamentaire, un bain de matériau polymère, notamment de résine thermodurcissable, peut être présent pour permettre l’imprégnation des fibres au cours de l’enroulement filamentaire. En variante, les fibres peuvent être imprégnées avant la réalisation de l’enroulement filamentaire.

Le procédé peut comporter une étape de cuisson de manière à polymériser le matériau polymère, avec ou sans pression.

Le matériau polymère utilisé pour imprégner, le cas échéant, les fibres au cours de l’étape de pultrusion et le matériau polymère utilisé pour imprégner les fibres de l’enroulement filamentaire sont avantageusement au moins compatibles entre eux, voire sont les mêmes matériaux polymères. En variante, une couche d’adhésif, par exemple un film d’une colle, peut être prévue à l’interface entre sections de tube et enroulement filamentaire, de manière à assurer la cohésion entre ceux-ci au sein de la pièce axisymétrique.

Cette compatibilité ou l’ajout d’un adhésif permet d’avoir une bonne qualité d’interface entre sections de tube et enroulement(s) filamentaire. Une bonne qualité de l’interface est importante. En effet, la pièce axisymétrique, au cours de sa durée de vie, peut subir des endommagements dans sa structure qui peuvent avoir des conséquences sur le mode de sollicitation de la pièce. Des efforts de cisaillement peuvent transiter, essentiellement dans la matrice polymère de la pièce, entre les sections de tube et l’enroulement filamentaire à l’interface entre ceux-ci.

Le matériau polymère utilisé pour imprégner, le cas échéant, les fibres au cours de l’étape de pultrusion et le matériau polymère utilisé pour imprégner les fibres de l’enroulement filamentaire sont avantageusement choisis dans le groupe constitué par les résines, notamment les résines thermodurcissables, en particulier les résines époxy ou polyuréthane, ou les résines thermoplastiques, en particulier les résines à base de polyamide.

Les résines époxy sont préférées. Elles permettent d’avoir des bonnes propriétés de raideur et vis-à-vis du vieillissement.

Au cours de l’étape c, on peut maintenir les sections de tube sur le mandrin en utilisant un matériau polymère. Ce matériau polymère sert alors d’adhésif entre les sections de tube et le mandrin.

Dans ce cas et dans le cas où le procédé comporte l’étape consistant à imprégner les fibres de l’enroulement filamentaire avec un matériau polymère, ledit polymère utilisé pour maintenir les sections de tube sur le mandrin est de préférence le même que le matériau polymère utilisé pour imprégner les fibres de l’enroulement filamentaire, ces polymères étant de préférence constitués par une résine thermodurcissable. Les sections de tube peuvent être disposées sur le mandrin de manière à être à distance les unes des autres, étant disposées sensiblement parallèlement entre elles, de préférence à équidistance entre elles, deux sections de tube adjacentes étant non jointives mais laissant entre elles un espace longitudinal, étant séparées d’une distance comprise entre 150 mm et 800 mm, de préférence entre 300 mm et 650 mm.

Le mandrin est avantageusement un mandrin cylindrique, notamment creux, de préférence de section circulaire, réalisé notamment en métal, en particulier en aluminium. Le mandrin peut présenter une section transversale de plus grande dimension comprise entre 850 mm et 2050 mm, de préférence entre 1500 mm et 1900 mm. La plus grande dimension de la section transversale du mandrin peut varier ou non selon l’axe longitudinal, notamment en fonction de la forme de la pièce axisymétrique souhaitée.

Le tube réalisé à l’étape a) peut présenter une plus grande dimension de section transversale comprise entre 1000 et 2500 mm.

Le tube peut présenter une section transversale circulaire.

En variante, le tube peut présenter une section transversale sensiblement triangulaire, de préférence avec les angles des sommets arrondis. Dans ce cas, le profilé triangulaire peut être découpé en trois sections de tube comportant chacune un sommet du triangle. Le mandrin présentera alors de préférence une section transversale avec des sommets similaires à ceux du tube permettant de positionner aisément chacune des sections de tube. Les sommets peuvent présenter des formes différentes les uns des autres. Il est à noter que les profils elliptiques et triangulaires peuvent être adaptés lorsque la pièce est un mât, notamment vis-à-vis des conditions de chargement mécaniques.

La section transversale du tube peut varier selon l’axe longitudinal du tube. En variante, la section transversale intérieure du tube reste constante. La section transversale extérieure du tube peut encore être plus grande au pied de la pièce, notamment du mât, tandis que la section transversale extérieure au centre de la pièce, selon l’axe longitudinal de celle- ci, est plus faible qu’en tête de la pièce, notamment du mât. D’autres dimensionnements sont bien entendu possibles, en fonction de la technologie utilisée.

Le nombre de sections de tube réalisées à l’étape b et/ou disposées autour du mandrin à l’étape c est compris par exemple entre 2 et 5, de préférence entre 3 et 4.

Le procédé peut comporter une étape supplémentaire consistant à réaliser un enroulement filamentaire inférieur autour du mandrin avant de réaliser l’étape c, c’est-à-dire avant de disposer les sections de tube autour du mandrin ainsi enrobé. L’enroulement filamentaire inférieur se retrouve alors sous les sections de tube. Le procédé permet alors d’entourer intérieurement et extérieurement les sections de tube avec des enroulements filamentaires.

Les fibres de l’enroulement filamentaire inférieur peuvent être les mêmes ou différentes des fibres de l’enroulement filamentaire. Elles peuvent être imprégnées d’un matériau polymère de la même manière que décrit plus haut pour l’enroulement filamentaire, avant ou au cours de l’enroulement filamentaire inférieur.

Selon un mode de réalisation particulier, le mandrin comporte sur sa surface extérieure des reliefs en creux destinés à recevoir les sections de tube, de préférence de forme complémentaire. Dans ce cas, les reliefs en creux sont par exemple prévus pour présenter une hauteur égale à l’épaisseur des sections de tube de telle sorte que ces dernières affleurent sur la surface extérieure restante, hors relief en creux, du mandrin, l’enroulement filamentaire formant alors un cylindre présentant une surface extérieure sensiblement dépourvue de reliefs en saillie ou en creux.

En variante, le mandrin présente une surface extérieure dépourvue de reliefs en creux ou en saillie, les sections de tube étant disposées en surépaisseur, de telle sorte que l’enroulement filamentaire forme un cylindre présentant une surface extérieure avec des reliefs en saillie et en creux, notamment des reliefs correspondant à la forme et aux dimensions des sections de tube sous-jacents.

Le choix de l’un ou l’autre de ces deux modes de réalisation peut être dicté par un choix esthétique, de processabilité et/ou de performances mécaniques souhaité pour la pièce axisymétrique finale.

Au cours de l’étape c, les sections de tube peuvent couvrir une partie de la longueur du mandrin seulement. Dans ce cas, au cours de l’étape d, l’enroulement filamentaire peut être réalisé aussi sur une ou des parties du mandrin de pourtour non recouvert par des sections de tube.

On peut réaliser au moins deux fois l’étape a et l’étape b et, à l’étape c, on peut superposer des sections de tube appartenant à des tubes différents réalisés aux étapes a et découpés aux étapes b.

Les étapes c et d peuvent être répétées plusieurs fois, notamment dans l’épaisseur de l’empilement, pour mélanger les orientations de fibres. Le procédé peut comporter l’étape consistant à disposer au-dessus de l’enroulement filamentaire des sections de tube puis à réaliser un enroulement filamentaire sur ces sections de tube, cette étape pouvant être mise en œuvre une ou plusieurs fois, notamment en fonction de l’épaisseur et/ou des propriétés recherchées. Cela permet d’apporter des plis de blocage, c’est-à-dire non orientés selon l’axe longitudinal donc des plis d’orientation différente de 0°, ces plis étant ceux des enroulements filamentaires. On peut ainsi réaliser une pièce axisymétrique creuse comportant plusieurs couches de sections de tubes superposées au moins partiellement ou non, chaque couche de sections de tube étant séparée de la couche de sections de tube adjacente par un enroulement filamentaire, un enroulement filamentaire extérieur recouvrant de préférence le tout.

Le mandrin peut lui-même être réalisé en pultrusion composite et faire partie intégrante de la pièce finale. Un tel mode de réalisation permet de réduire les outillages de fabrication, mais aussi de faire jouer au mandrin un rôle structurel sur la pièce finale. Les coûts des outillages seraient réduits, il n’y aurait plus d’étape de préparation des moules qui nécessite de la main d’œuvre et l’utilisation de produits toxiques, ni de problématique de démoulage de la pièce finale qui nécessite de la main d’œuvre, parfois des moyens conséquents sur de grandes pièces et génère un risque d’endommagement de la pièce lors du démoulage de très grandes pièces. Les temps de cycle et donc les coûts de fabrication en seraient optimisés. De plus, les opérations de réparation liées aux arrachements de fibres lors des démoulages seraient réduites.

L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, en combinaison avec ce qui précède, une pièce axisymétrique creuse réalisée à l’aide du procédé tel que défini plus haut. La pièce axisymétrique présente de préférence une section intérieure et/ou extérieure circulaire, avec une épaisseur nominale comprise entre 30 et 60 mm, de préférence égale à 40 mm, l’épaisseur pouvant varier sur la circonférence et/ou sur la longueur de la pièce en étant comprise entre 10 mm et 100 mm. La longueur totale de la pièce axisymétrique peut être comprise entre 10 m et 150 m, de préférence entre 50 m et 100 m, notamment égale à 75 m environ. La largeur de la pièce axisymétrique peut être comprise entre 1 m et 2,5 m, notamment d’environ 2 m.

Une telle pièce consiste avantageusement en un mât pour paquebot.

Brève description des dessins L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d’exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, et à l’examen du dessin annexé, sur lequel :

[Fig 1] la figure 1 représente de manière schématique et en perspective la mise en œuvre d'une étape du procédé selon l'invention,

[Fig 2] la figure 2 représente de manière schématique en vue en section transversale le tube issu de l'étape illustrée sur la figure 1 lors d'une étape ultérieure de découpe,

[Fig 3] la figure 3 représente de manière schématique en vue section transversale le tube après mise en œuvre de l'étape de découpe illustrée sur la figure 2,

[Fig 4] la figure 4 représente de manière schématique les sections de tube sur mandrin lors de la mise en œuvre d'une étape du procédé selon l'invention suivant l'étape illustrée sur la figure 2,

[Fig 5] la figure 5 représente de manière schématique en coupe transversale les sections de tube sur mandrin avec enroulement filamentaire lors de la mise en œuvre d'une étape du procédé selon l'invention suivant l'étape illustrée sur la figure 4,

[Fig 6] la figure 6 représente de manière schématique en coupe transversale la pièce axisymétrique selon l'invention obtenue à l'aide du procédé selon l'invention,

[Fig 7] la figure 7 représente de manière schématique et en perspective en vue de côté la pièce axisymétrique selon l'invention obtenue avec le procédé selon l'invention, [Fig 8] la figure 8 représente de manière schématique une étape supplémentaire du procédé selon l'invention pouvant être mise en œuvre dans un mode de réalisation particulier,

[Fig 9] la figure 9 est une vue similaire à la figure 2 d’un autre exemple de tube, [Fig 10] la figure 10 est une vue similaire à la figure 4 des sections de tube obtenues à partir du tube de la figure 9, disposées sur un mandrin,

[Fig 11] la figure 11 est une vue similaire à la figure 6 d’un autre exemple de pièce,

[Fig 12] la figure 12 représente de manière schématique et en coupe transversale un exemple de pièce réalisée à l’aide du procédé selon l’invention,

[Fig 13] la figure 13 représente de manière schématique et en coupe transversale un exemple de pièce réalisée à l’aide du procédé selon l’invention, [Fig 14] la figure 14 représente de manière schématique et en coupe transversale un exemple de pièce réalisée à l’aide du procédé selon l’invention,

[Fig 15] la figure 15 représente de manière schématique et en coupe transversale un exemple de pièce réalisée à l’aide du procédé selon l’invention, et

[Fig 16] la figure 16 représente de manière schématique et en coupe transversale un exemple de pièce réalisée à l’aide du procédé selon l’invention.

Description détaillée

Dans la suite de la description, les éléments identiques ou de fonctions identiques portent le même signe de référence. A des fins de concision de la présente description, ils ne sont pas décrits en regard de chacune des figures, seules les différences entre les modes de réalisation étant décrites.

On a illustré sur les figures 1, 2, 4 et 5 différentes étapes du procédé selon l'invention pour fabriquer une pièce axisymétrique creuse en matériau composite s'étendant selon un axe longitudinal X.

La première étape du procédé de fabrication selon l'invention, illustrée sur la figure 1, consiste à réaliser un tube s'étendant selon l'axe longitudinal X par pultrusion de fibres avec, dans cet exemple, imprégnation des fibres avec un matériau polymère sous forme liquide, en bain, en l’espèce une résine thermodurcissable constituée par une résine époxy ou polyuréthane.

Cette première étape consiste à imprégner, dans cet exemple, de résine époxy ou polyuréthane des mèches de fibres 1 consistant dans l'exemple illustré en des fibres de carbone continues assemblées en mèches et à les introduire dans une filière F de pultrusion dans laquelle, de manière connue en soi, elles sont mises en forme et chauffées de manière à obtenir, comme illustré, à la sortie de la filière F, un tube 2 d’axe longitudinal X, et de section, dans cet exemple, circulaire. Les fibres 1 sont orientées selon l'axe longitudinal X et ne sont pas désaxées par rapport à cet axe X, au moins pour 80% d'entre elles.

On ne sort pas du cadre de l’invention si les mèches de fibres sont non imprégnées de matériau polymère avant passage dans la filière de pultrusion. Dans ce cas, le tube obtenu après pultrusion est fibreux et sec, comportant éventuellement un liant. La filière de pultrusion est alors adaptée, bien entendu.

La deuxième étape du procédé selon l’invention, illustrée sur la figure 2, consiste à réaliser des découpes sur le tube 2, pour former, comme illustré sur la figure 3, des sections de tube 4. Les découpes sont schématisées sur la figure 2 à l'aide de ciseaux bien que ces découpes ne soient pas réalisées par des ciseaux mais à l’aide d’outils de découpe de tube de manière connue en soi.

Dans l'exemple illustré, on réalise quatre sections de tube 4, comme visible sur la figure 3. On ne sort toutefois pas du cadre de l'invention si le nombre de sections de tube

4 est différent et par exemple compris entre deux et cinq, notamment égal à trois.

Dans une étape ultérieure, illustrée sur la figure 4, on dispose les sections de tubes 4 autour d'un mandrin M, cylindrique et plein, réalisé en aluminium, de manière à ce que les sections de tubes 4 épousent sensiblement une surface extérieure S du mandrin M. Ainsi, une face intérieure 5 de chaque section de tube 4 est en contact avec la surface extérieure S du mandrin M.

Dans l'exemple illustré, les sections de tube 4 sont disposées sur le mandrin M de manière à être à distance les unes des autres, étant disposées sensiblement parallèlement entre elles, à équidistance entre elles. Deux sections de tube 4 adjacentes sont ainsi non jointives mais laissent entre elles un espace longitudinal, étant séparées d'une distance d égale à 400 mm environ.

Les sections de tube 4 sont fixées sur le mandrin M à l'aide d'un matériau polymère.

Toujours dans l'exemple illustré, le mandrin M présente sur sa surface extérieure

5 des reliefs en creux R prévus pour recevoir et recevant, comme illustré sur la figure 4, les sections de tubes 4, les reliefs en creux R étant, dans l'exemple illustré, de formes complémentaires aux sections de tube 4. Les reliefs en creux R présentent une hauteur h sensiblement égale à l'épaisseur e des sections de tubes 4. Ainsi, les sections de tubes 4 affleurent à la surface extérieure restante Sr, hors reliefs en creux R, du mandrin M.

La figure 5 illustre schématiquement une étape ultérieure du procédé selon l'invention. Cette étape consiste à réaliser un enroulement filamentaire 6, dans cet exemple extérieur, de fibres 7 autour du mandrin M et des sections de tubes 4.

Dans l'exemple illustré, les fibres 7 sont formées en mèches et constituées de fibres de carbone continues, comme les fibres 1 utilisées pour réaliser le tube 2 lors de l’étape de pultrusion.

Pour réaliser l'enroulement filamentaire 6 extérieur, on peut faire tourner le mandrin M autour de son axe de rotation A dans le sens illustré à l'aide de la flèche incurvée. Le cantre, qui dépose les mèches de fibres, avance ou recule en translation sur le mandrin M qui tourne.

L'enroulement filamentaire 6 extérieur consiste à déposer alternativement des couches de fibres 7 orientées par rapport à l'axe longitudinal X de +45°, de -45°et de 90°, de manière régulière. On obtient ainsi une couche triaxiale avec des orientations d'angles de +45°, de -45°et de 90°. Dans cet exemple, l’enroulement filamentaire 6 extérieur est réalisé selon une succession de couches avec des orientations de fibres d’angles suivants : +45 90 -45 +45 90 -45°.

Au cours de l'enroulement filamentaire, on imprègne les fibres 7 de l'enroulement filamentaire 6 d'un matériau polymère consistant dans l'exemple illustré en une résine époxy.

Le matériau polymère utilisé dans cet exemple pour fixer les sections de tube 4 sur le mandrin M est le même matériau polymère que celui qui imprègne les fibres 7 de l'enroulement filamentaire 6, c'est-à-dire une résine époxy dans cet exemple.

Une fois l’enroulement filamentaire 6 terminé, on réalise une cuisson de l'ensemble des sections de tube 4 revêtues de l'enroulement filamentaire 6 afin de réaliser la polymérisation, avec ou sans pression.

On procède enfin au démoulage hors du mandrin M de la pièce axisymétrique creuse 10 ainsi obtenue.

La pièce axisymétrique creuse 10 obtenue à l’aide du procédé selon l’invention est illustrée sur les figures 6 et 7. Comme visible sur ces figures, elle se présente sous forme d'un tube cylindrique creux de section extérieure circulaire et d’axe longitudinal X. Les sections de tubes 4 forment intérieurement un relief comme visible.

L'épaisseur nominale de la pièce axisymétrique 10 est comprise entre 30 et 60 mm, étant dans l'exemple illustré égale à 40 mm. L'épaisseur varie sur la circonférence comme visible mais également de manière non visible sur les figures sur la longueur de la pièce selon l'axe longitudinal X et peut être comprise entre 10 mm et 100 mm. Dans l'exemple illustré, la longueur totale de la pièce axisymétrique 10 est égale à 85 m environ, la largeur d’une section transversale est d’environ 2 m, et elle consiste en un mât pour paquebot.

L'invention n'est bien entendu pas limitée à l'exemple qui vient d'être décrit. Dans la variante illustrée sur la figure 8, le mandrin M présente une surface extérieure Se dépourvue de reliefs, étant de section circulaire. Les sections de tube 4 viennent alors former un relief, comme visible au-dessus de la surface du mandrin M. Ainsi, la pièce axisymétrique creuse 10 qui sera obtenue présentera en section transversale une section intérieure circulaire et une section extérieure avec des reliefs longitudinaux correspondant aux surépaisseurs formées par les sections de tube 4.

Toujours dans cet exemple, une étape supplémentaire consistant à réaliser un enroulement filamentaire inférieur 9 autour du mandrin M a été mise en œuvre. Cette étape supplémentaire est réalisée avant l'étape de disposition des sections de tube 4 sur le mandrin M. L’enroulement filamentaire inférieur 9 peut être réalisé de la même manière, en faisant tourner le mandrin M autour de Taxe de rotation A, et avec le même type de fibres et l'imprégnation du même matériau polymère que pour l'enroulement filamentaire 6, comme décrit plus haut. Dans ce cas, après avoir réalisé l'enroulement filamentaire inférieur 9, les sections de tube 4 sont disposées sur l'enroulement filamentaire inférieur 9 sur le mandrin M puis l'enroulement filamentaire 6 est réalisé au-dessus de l'ensemble formé par l’enroulement filamentaire inférieur 9 et les sections de tube 4.

Dans l’exemple illustré sur les figures 9 et 10, le tube 2 présente une section transversale sensiblement triangulaire, avec les angles des sommets arrondis, comme visible sur la figure 9. Dans ce cas, le profilé triangulaire est découpé en trois sections de tube comportant chacune un sommet du triangle, comme visible sur la figure 9 également. Le mandrin M présente une section transversale avec des sommets similaires permettant de positionner aisément chacune des sections de tube 4, comme visible sur la figure 10.

Toujours dans cet exemple, on a inséré entre les sections de tube 4, sur les trois côtés du triangle, comme visible, des portions d’âme N en mousse ou nid d’abeille.

Le mandrin M est, dans cet exemple, également réalisé en pultrusion composite et fait partie intégrante de la pièce finale.

Une broche rotative B est présente autour de Taxe de rotation A.

On ne sort pas du cadre de l’invention si la forme reste triangulaire en section transversale mais si le mandrin ne fait pas partie intégrante de la pièce finale ni si les portions d’âme ne sont pas présentes. Par ailleurs, on peut alterner des couches de sections de tube 4 et d’enroulement filamentaire 6. On a représenté un tel mode de réalisation sur la figure 11. Les couches d’enroulement filamentaire 6 et 9 sont à +45° et -45°, alternées avec des sections de tube 4 avec orientation des fibres à 0°. On réalisera ainsi des tubes de différentes dimensions pour chaque couche de sections de tube 4 en prenant en compte l’augmentation de l’épaisseur et donc de la circonférence totale. Dans cet exemple, un enroulement filamentaire inférieur 9 est disposé sous une première couche de sections de tube 4, laquelle est disposée sous un enroulement filamentaire 6, puis on a une deuxième couche de sections de tube 4, un nouvel enroulement filamentaire 6, une troisième couche de sections de tube 4 et un nouvel enroulement filamentaire 6, lequel est extérieur.

Dans l'exemple illustré, on dispose toutes les sections de tube 4 autour du mandrin M mais on pourrait n'en disposer qu'une partie sans sortir du cadre de l'invention.

La plus grande dimension de la section transversale, notamment le diamètre, du tube 2 est de préférence inférieure à celle, notamment au diamètre, du mandrin M.

Dans un mode de réalisation non illustré, les sections de tube 4 couvrent une partie de la longueur du mandrin M seulement et l’enroulement filamentaire 6 est alors réalisé aussi sur une ou des parties du mandrin de pourtour non recouvert par des sections de tube 4.

Dans un autre mode de réalisation non illustré, on réalise au moins deux fois l’étape de pultrusion et l’étape de découpage du tube 2 et, à l’étape suivante, on superpose des sections de tube 4 appartenant à des tubes 2 différents réalisés à l’étape de pultrusion.

On a représenté sur les figures 12 à 16 différentes possibilités de sections transversales, intérieures ou extérieures, pour la pièce 10 axisymétrique creuse, présentant une section transversale intérieure de forme différente de la section transversale extérieure.

Dans l’exemple de la figure 12, la pièce 10 présente une section transversale intérieure 11 de forme sensiblement rectangulaire aux coins arrondis et une section transversale extérieure 12 de forme elliptique, allongée comme le rectangle de la section transversale intérieure 11.

Dans l’exemple de la figure 13, la forme de la pièce 10 en section transversale est la même que dans le mode de réalisation de la figure 12, hormis le fait que la section transversale extérieure présente un côté 13 sensiblement rectiligne, parallèle à un côté du rectangle de la section transversale intérieure 11.

Dans l’exemple de la figure 14, la forme de la pièce 10 en section transversale est la même que dans le mode de réalisation de la figure 13, hormis le fait que la section transversale intérieure 11 présente deux nervures 14 s’étendant vers l’intérieur, perpendiculairement au côté du rectangle à partir duquel elles s’étendent.

La figure 15 illustre une forme de pièce 10 globalement triangulaire, avec une section transversale intérieure 11 de forme triangulaire et une section transversale extérieure 12 de forme triangulaire aux angles et côtés arrondis.

Enfin, la figure 16 illustre une autre pièce 10 présentant la forme de celle de la figure 15, avec deux nervures 14 intérieures s’étendant vers l’intérieur à partir d’un côté du triangle de la section transversale intérieure 11 perpendiculairement à ce côté.