FR3149230A1 - Procédé de fabrication de pièces en matériaux composites - Google Patents

Abstract

Procédé de fabrication de fabrication d’une pièce creuse en matériau composite comprenant les étapes suivantes : - moulage (d’un noyau, ledit noyau étant configuré pour être rétractable, - drapage dudit noyau par au moins une pièce en tissu, ledit tissu étant en matière végétale, - injection de résine dans ledit tissu drapé sur ledit noyau, - cuisson de ladite résine injectée dans ledit tissu, et - retrait dudit noyau. Figure d’abrégé : 3

Description

Procédé de fabrication de pièces en matériaux composites

La présente invention concerne un procédé de fabrication de pièces en matériaux composites.

L’invention a des applications dans la fabrication de pièces dédiées à l’assemblage de véhicules à mobilité douce et active, tels que des bicyclettes.

Arrière-plan technologique

Dans le but de réduire leur empreinte carbone, les fabricants de cadres de bicyclettes proposent de nouvelles solutions techniques afin de produire des produits plus respectueux de l’environnement. Ces solutions résident principalement dans l’utilisation de nouveaux matériaux. Ceci nécessite donc la mise en place de nouveaux procédés de fabrication.

Historiquement, les matériaux utilisés étaient l’aluminium et l’acier. Plus récemment, les matériaux composites ont été proposés comme alternative. Parmi ces matériaux, on peut citer la fibre de verre, la fibre de carbone et plus récemment encore le chanvre, le lin et le bambou.

Un cadre de bicyclette en composite peut être réalisé selon plusieurs procédés de fabrication. L’un des premiers procédés connus est la technique du «manchonné collé». Les jonctions entre les pièces du cadre sont réalisées dans des moules séparément et les tubes constituant le cadre aussi. Les tubes sont rapportés les uns aux autres, au moyen de pièces de jonction, et collés sur un marbre afin d’assurer leur alignement.

Ce procédé de fabrication permet la réduction de la taille des moules nécessaires à la fabrication du cadre. De ce fait, la manipulation de ceux-ci ne nécessite pas l’utilisation d’un palan ou de moyens de levage. Ce procédé permet aussi le remplacement aisé de moules. Ainsi, en cas de détérioration de certains moules très sollicités, leur réfection (ou fabrication) est moins coûteuse qu’un moule de cadre complet. Ce procédé permet en outre de d’adapter les moules à d’éventuelles contraintes dimensionnelles ou même de production. Enfin, ce procédé permet aussi de mutualiser certains moules (et donc de certaines pièces) avec d’autres cadres d’une gamme de bicyclette. On peut ainsi investir en moindre quantité d’outillage.

Néanmoins, dans certains cas, il est possible de préférer d’autres techniques au «manchonné collé». L’alternative à ce procédé est la réalisation de cadres de bicyclettes «monocoque s». Le cadre est ainsi divisé en 3 parties : le triangle avant (constitué de la partie haute dite «Top Tube», de la partie basse dite «Down Tube» et de la partie verticale recevant la selle dite «Seat Tube»), le triangle arrière gauche (constitué de la base et du hauban gauche) et le triangle arrière droit (constitué de la base droite ou du hauban droit).

Le procédé «monocoque» permet la réalisation d’au moins 50% du cadre d’un seul coup, sans avoir des étapes de reprise, de finition et de collage contrairement à l’assemblage de jonctions et de tubes. Le procédé diminue le nombre de moules nécessaires à la fabrication d’un cadre. En outre, il permet d’alléger le poids du cadre en optimisant la quantité et l’orientation des fibres qui sont utilisées.

En revanche le procédé «monocoque» présente aussi de nombreux inconvénients. En particulier, les moules utilisés sont souvent de grande taille. Ils sont donc très lourds et nécessitent des moyens de levage spécifiques. L’outillage pour polymériser la résine utilisée pour la réalisation des pièces (étuve, presse chauffante, etc.) sont par ailleurs proportionnels à la taille du moule. Le coût de l’utilisation d’un moule proportionnel à sa taille. En cas de maintenance ou d’avarie sur le moule, c’est l’ensemble du cadre qui n’est plus productible. De même, une erreur de conception ou d’utilisation du moule est très impactant car son immobilisation bloque totalement la ligne de production. Le temps de drapage d’un cadre monocoque est plus important que dans le cas de la réalisation de jonctions séparées. Enfin, une erreur lors de la fabrication du cadre impacte le processus global car c’est l’ensemble du cadre qui doit être mis au rebut.

De manière générale, la proportion de composite dans les cadres de bicyclettes est intimement liée au processus de fabrication des cadres. En effet, la production d’un cadre selon le procédé «monocoque» utilise presque exclusivement des matériaux composites. En revanche, le procédé «manchonné collé» permet d’avoir plus de souplesse sur la proportion de composite. Par exemple, les premiers vélos en carbone étaient fabriqués par la technique du manchonné collé et avaient des jonctions en alliage, seuls les tubes étaient en carbone. Le procédé monocoque implique donc une grande proportion de composite alors que le manchonné collé implique une proportion généralement plus faible de matériau composite.

Il existe donc un besoin pour un procédé de fabrication de pièces en matériaux composites qui optimise les paramètres de production, notamment les coûts.

La présente invention s’inscrit dans ce cadre.

Selon unpremier aspect, l’invention concerne un procédé de fabrication de fabrication d’une pièce creuse en matériau composite comprenant les étapes suivantes :

- moulage (d’un noyau, ledit noyau étant configuré pour être rétractable,

- drapage dudit noyau par au moins une pièce en tissu, ledit tissu étant en matière végétale,

- injection de résine dans ledit tissu drapé sur ledit noyau,

- cuisson de ladite résine injectée dans ledit tissu, et

- retrait dudit noyau.

Par exemple, ledit noyau est réalisé dans un matériau fusible, de préférence une cire.

Le retrait dudit noyau se fait par exemple par fusion, lors de ladite étape de cuisson.

Par exemple, des dimensions d’un moule pour ledit moulage dudit noyau tiennent compte d’un facteur d’homothétie par rapport à des dimensions de ladite pièce creuse, ledit facteur d’homothétie étant calculé pour compenser une rétractation de la matière fusible après refroidissement dans ledit moule.

Selon des réalisations, ledit noyau est moulé dans un moule en matière plastique chargée d’un adjuvant, de manière préférentielle un dépôt de poudre d’aluminium.

Par exemple, le noyau est réalisé dans un matériau gonflable, ledit moulage étant réalisé par gonflage dudit noyau et ledit retrait étant réalisé par dégonflage dudit noyau.

Le noyau peut aussi comprendre un mandrin métallique.

Par exemple, le procédé comprend en outre une étape d’intégration d’une pièce métallique de fixation pour fixer un élément tiers sur ladite pièce creuse.

Par exemple, ladite pièce métallique est l’un parmi un insert fileté et une pièce configurée pour recevoir un filetage.

Selon des réalisations, le tissu comporte des fibres végétales, de préférence des fibres de lin.

Par exemple, ladite pièce creuse une pièce de cadre de bicyclette parmi une jonction de selle, une jonction de direction, une jonction de pédalier et une potence de guidon.

Selon undeuxième aspect, l’invention concerne un dispositif de jonction d’éléments de cadre de bicyclette comprenant un corps creux, ledit corps creux comprenant un tissu en matière végétale et une résine injectée dans ledit tissu végétal.

Par exemple, ledit dispositif est réalisé selon un procédé selon le premier aspect.

Brève description des figures

D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la présente description détaillée qui suit, à titre d’exemple non limitatif, et des figures annexées parmi lesquelles :

illustre un cadre de bicyclette selon des modes de réalisation,

illustre des étapes d’un procédé selon des modes de réalisation,

illustre un moule pour jonction de direction selon des modes de réalisation,

illustre un moule pour jonction de selle selon des modes de réalisation,

illustre un moule pour jonction de pédalier selon des modes de réalisation,

illustre une jonction « dropout » selon des modes de réalisation,

illustre un moule pour potence selon des modes de réalisation,

illustre des étapes d’un cycle d’utilisation de cire selon des modes de réalisation,

illustre l’injection de cire selon des modes de réalisation,

illustre l’injection de résine selon des modes de réalisation.

Description détaillée de l’invention

Dans ce qui suit, des modes de réalisation de l’invention sont décrits. Ceux-ci permettent la production de pièces en matériau composites, en particulier des cadres de bicyclette. Les modes de réalisation de l’invention permettent une production en série, à partir de matériaux d’origine naturelle.

Dans ce qui suit, l’exemple du bambou pour les tubes de cadre est utilisé. Il s’agit par exemple de bambou lamellé collé. Ce matériau offre des propriétés mécaniques adaptées pour des pièces pour véhicules de mobilité douce et active. En outre sa production nécessite peu d’énergie et a donc un impact écologique faible. Il maximise par ailleurs la proximité entre le lieu de production de la matière brute et sa transformation.

En outre, l’exemple du lin est utilisé pour les jonctions reliant les tubes de cadre. Ce matériau offre des avantages similaires au bambou et une bonne compatibilité. Le lin est un matériau d’origine végétal qui s’apparente à la fibre de verre. Il possède de très bonnes capacités de filtration des vibrations, de bonnes propriétés acoustiques, un allongement à la rupture important, une densité relativement faible. Ce matériau permet d’obtenir un rapport parfait entre confort et performance.

Les modes de réalisation de l’invention peuvent offrir divers avantages. Il est possible d’utiliser des matériaux composites différents pour former un cadre unique. En particulier, le bambou et le lin qui ont des propriétés mécaniques similaires et qui sont chimiquement compatible peuvent être utilisés. En outre, le coût de l’outillage et la flexibilité de production sont optimisés par l’utilisation de moules spécifiques à chaque pièce du cadre. Il est ainsi possible de modifier certaines parties du cadre en modifiant qu’un seul petit moule. Les modes de réalisation ne nécessitent pas de moyen de levage lourd pour la manipulation des moules. Le procédé de fabrication du cadre et plus particulièrement des jonctions peut être subdivisé en une multitude de tâches simple et peu chronophage. Ainsi, le plan de production d’un cadre est plus souple que selon une autre méthode de production.

D’une manière générale, un cadre de bicyclette comporte un certain nombre de pièces et un procédé de fabrication de ces pièces doit permettre de respecter l’ensemble des exigences liées à ces pièces. Il s’agit en particulier des pièces suivantes.

La illustre une bicyclette avec les divers éléments discutés dans ce qui suit. Le cadre comporte un tube supérieur (Top tube)101, un tube inférieur (Down tube)102et un tube de selle (Seat tube)103. Le tube supérieur et le tube inférieur sont joints par une jonction de direction104. Le tube supérieur et le tube de selle sont joints par une jonction de selle105. Le tube de selle et le tube inférieur sont joints par une jonction de pédalier106. Le cadre comporte en outre deux triangles arrière. Chaque triangle arrière comporte un hauban107joint à l’extrémité supérieure du tube de selle par la jonction de selle105. Chaque triangle arrière comporte en outre une base108jointe à l’extrémité inférieur du tube de selle par la jonction de pédalier106. Au sein de chaque triangle arrière, le hauban107et la base108sont joints par une jonction dite «dropout»109. Enfin, une potence110joint le guidon111au tube de direction (non représenté) lié à la fourche112.

La jonction direction doit être creuse pour laisser passer le pivot de fourche, les câbles de freins, de transmission et autres câbles. Elle doit en outre reprendre les portées de roulements pour la direction du vélo. Elle doit enfin avoir une épaisseur quasi constante afin d’être facilement injectée.

La jonction selle doit être creuse afin de laisser passer la tige de selle. Elle doit aussi intégrer des inserts filetés afin d’accrocher un éventuel porte bagage.

La jonction pédalier doit être creuse afin de faire passer les différents câbles constituant le vélo. Elle doit aussi laisser passer la batterie dans le cas d’un vélo électrique. La pièce doit être compatible avec les systèmes de boitiers de pédalier standard du milieu du cycle («BSA», «Press-Fit» ou autre). Elle doit aussi intégrer des inserts filetés afin d’accrocher divers éléments dont un garde boue, etc. et être percée en plusieurs points afin d’intégrer les composants du vélos (composant liés à la motorisation par exemple).

La jonction dropout ne nécessite pas qu’elle soit creuse. En revanche, elle doit être compatible avec le manchonnage des tubes. La jonction dropout doit être compatible avec les différents composants constitutifs d’un vélo dont l’étrier de freins, la béquille, la fixation de la roue arrière, porte bagage, garde boue, etc.

Les potences inférieure et supérieure sont des éléments n’ayant pas de contraintes mécaniques importantes contrairement aux autres jonctions : elles ne sont pas structurelles. Les principales complexités reposent sur la réalisation de surface plane et de feuillure pour la réalisation de l’étanchéité entre les deux parties.

Les modes de réalisation décrits dans ce qui suit permettent donc de répondre à toutes les contraintes posées par les différentes pièces constituant le cadre et rappelées ci-avant.

D’une manière générale, un procédé de type «Resin Transfer Molding» (RTM) est proposé. Ce procédé est un procédé permettant une production de pièces en moyenne et grande série. Il repose sur la mise ne place de tissus dans le fond d’un moule ou sur un mandrin et l’injection d’une résine sous haute pression. Dans certains cas, le moule peut intégrer le mandrin. L’avantage de ce type de procédé est que la production se réalise moule fermé, de ce fait, les composés organiques volatils (COV) ne sont pas libérés dans l’air ambiant contrairement aux procédés réalisés moule ouvert. De même les épaisseurs de pièces, intimement liées aux performances, sont bien mieux contrôlées.

Ce type de procédé offre de nombreux avantages par rapport à d’autres disponibles dans le domaine. Les tissus préimprégnés de résine et qui polymérisent sous pression et haute température sont beaucoup plus coûteux que le tissu de lin non imprégné par exemple. Dans le cas de la réalisation de pièce de jonction uniquement, cette technologie n’est donc pas adaptée. Le moulage au contact est un procédé qui se réalise à moule ouvert. Il est particulièrement adapté aux pièces de grande dimension comme les coques de bateaux. En revanche, il est moins adapté au pièces complexes comme une jonction direction ou pédalier. De même, cette technique est très chronophage, très dépendante de l’opérateur qui doit être formé de manière pointue sur la qualité de réalisation et donc non adaptée aux moyennes et grandes séries. L’enroulement filamentaire n’est quant à lui pas adapté à la production de pièces trop complexes. Enfin, l’infusion est une technique de fabrication peu adaptée aux pièces complexes et creuses. Cette technique est donc moins avantageuse que le RTM.

La illustre les étapes principales d’un procédé selon des modes de réalisation. Comme indiqué ci-avant, les jonctions direction, selle et pédalier nécessitent d’être creuses. Pour leur réalisation, un noyau est utilisé. Dans une première étape201, ce noyau est moulé. Par exemple, il s’agit d’un moule en matériaux fusible. Par exemple, ce matériau est une cire. Selon d’autres modes de réalisation, ce noyau est un ballon gonflé par un fluide capable de prendre une forme prédéterminée. Ce ballon est par exemple en latex®. Le noyau est ensuite drapé par un tissu lors d’une étape202. Par exemple, le tissu est du lin. Le système noyau-tissu est ensuite placé dans un moule d’injection de résine lors d’une étape203. Par exemple, le moule est un moule RTM. De la résine est ensuite injectée lors d’une étape20 4. Après injection, la pièce obtenue est sortie du moule lors d’une étape205. La pièce est ensuite présentée dans une étuve à une température spécifique lors d’une étape206. Cela permet le recuit le la résine et augmente ses propriétés mécaniques. Le noyau est ensuite retiré lors d’une étape207pour récupérer la pièce finale creuse. Lorsque le noyau est en matériau fusible, les étapes206et207peuvent être une seule et même étape. Le recuit peut en outre ainsi permettre d’éliminer le noyau.

Par exemple, une cire Polyéthylène à haut poids moléculaire peut être utilisée. Par exemple encore, la cire utilisée peut avoir un point de fusion compris entre 100 et 120°C. De manière générale, la température utilisée est suffisamment élevée pour réaliser le recuit des pièces injectées. Elle est aussi suffisamment basse pour ne pas détériorer le lin qui est sensible aux hautes températures. Un optimum doit être respecté pour rester ces deux contraintes. Généralement, le recuit ne dépasse pas 120° plus d’une heure.

Ainsi, la forme de la cire est réalisée à partir de la forme de la pièce de lin, tout en respectant une marge («offset»). A cela on rajoute un coefficient d’homothétie qui réduit la dilatation/rétractation thermique de la cire entre le moment où elle est liquide et son durcissement.

Par exemple, la cire de la jonction direction présente une partie permettant de réaliser la liaison avec le «Top tube». A ce niveau, la jonction doit être affleurante avec le «Top tube». Cependant, la rétractation de la cire est à considérer. Un coefficient d’homothétie doit alors être considéré. Ainsi, des noyaux en cire d’un diamètre légèrement plus important doivent être utilisés, de sorte qu’après refroidissement et rétractation on puisse obtenir une cire à la bonne côte. En d’autres termes, l’homothétie est un facteur qui permet de contrebalancer la rétractation de cire quand elle refroidit. La cire a par exemple une température de fonte (et donc de mise en forme) à environ 120°C. Le drapage des tissus secs se fait à température ambiante, par exemple à environ 20°C. Il fait donc contrebalancer la contraction de la matière entre 120 et 20°C. Pour déterminer le facteur d’homothétie, des essais peuvent être réalisés entre le diamètre de la cire après solidification et le diamètre d’un moule initial. Par exemple, on coule la cire dans un tube de diamètre 20 mm, et après solidification de la cire, on mesure le diamètre de la cire. Si l’on mesure, par exemple, un diamètre de 19,49 mm, on obtient un facteur d’homothétie de 20/19,49= 1,026. Ainsi, si l’on souhaite avoir un noyau de cire de diamètre 20 mm, un moule (tube) de diamètre 20,52 (= 20*1,026) est utilisé.

L’ensemble des noyaux de cire ont des extrémités qui prennent appuis dans les moules RTM. L’objectif est de positionner de manière précise la pièce drapée dans le moule RTM. Cela permet de d’assurer avant injection que la pièce finie aura les bonnes caractéristiques géométriques. Cette mise en position est possible grâce à la prise en considération des contraintes liées à la cire comme sa rétractation, son gauchissement, sa vitesse de refroidissement, etc. L’avantage de cette technique est la simplicité des moules afin qu’ils soient les plus économique possible, aussi bien pour les moules cire que RTM.

Une fois la stratégie de dimensionnement appliquée à l’ensemble des noyaux constitutifs des jonctions en lin, il est possible de concevoir les moules qui vont permettre la production des noyaux.

Par exemple, le matériau des moules est une planche usinable de plastique chargée afin de le rendre thermiquement et mécaniquement aussi performante que l’aluminium mais à un moindre coût. Pour des outillages moins sollicités, il est par exemple possible d’utiliser une planche à usiner en plastique non chargée et dotée de micro bulles d’air afin d’en faciliter sa manipulation car plus léger.

La illustre un moule permettant la réalisation du noyau en cire de la jonction direction. Il comporte un demi-moule supérieur301et un demi-moule inférieur302symétriques. Une barre303est en outre utilisée pour réaliser le passage du pivot de fourche bicyclette. Par exemple, la barre est une barre STUB®. Les deux demi-moules sont centrés par des pions de centrage304,305ainsi que la barre303.

La jonction direction est une jonction qui nécessite l’intégration de roulements permettant à la fourche du vélo de pivoter autour du cadre de vélo. Il existe donc un besoin de précision à ces endroits. En effet, les roulements sont précis de l’ordre de 5 centièmes de millimètres. Si la jonction présente des portées de roulements trop serrées, le roulement pourrait ne pas s’insérer. Au contraire, si les portes sont trop larges, les roulements pourraient avoir du jeu et le cadre ne serait pas utilisable. De même, l’enjeu porte aussi sur le caractère coaxial des roulements. En effet, si le caractère coaxial n’est pas respecté, un des roulements sera sur-contraint et aura des problèmes de fonctionnement.

Afin de répondre à ces enjeux, un mandrin en deux parties307,308peut être utilisé. Ce mandrin traverse le noyau en cire306par le trou réalisé par la barre303. La partie inférieure308du mandrin vient se centrer sur l’axe de la partie supérieure307. Ainsi la co-axialité est assurée. De même, ces mandrins présentent des sur-longueurs à leurs extrémités. Ces sur-longueurs ont pour objectifs d’assurer le positionnement de la pièce drapée avant injection dans le moule.

Le procédé d’injection étant réalisé sous haute température, un mandrin à faible dilatation thermique peut être utilisé pour ne pas avoir à appliquer de coefficient d’homothétie.

La illustre un moule permettant la réalisation du noyau en cire de la jonction selle. Il comporte un demi-moule supérieur401, un demi-moule inférieur402. Il comporte en outre un tiroir403. La complexité de cette pièce réside dans la réalisation d’un noyau n’étant plus dans le plan mais en trois dimensions. Cette complexité est gérée par la présence du tiroir. Ce tiroir présente des faces anguleuses par rapport aux demi-moules permettant un auto-centrage mais aussi de diminuer les contraintes sur la pièce.

La illustre un moule permettant la réalisation du noyau en cire de la jonction pédalier. Il comporte un demi-moule supérieur501, un demi-moule inférieur502. Il comporte en outre un tiroir503. Ce tiroir permet la réalisation de noyaux en contre-dépouille afin de permettre le démoulage. Le noyau de jonction pédalier504comporte deux éléments : un noyau supérieur505, 506reprenant le Seat Tube et le Down Tube. Le noyau inférieur507reprenant le dessous du boitier de pédalier. La complexité de ce noyau est qu’il est utilisé pour entourer un boitier de pédalier en alliage reprenant les roulements de pédalier. C’est donc un noyau qui permet le surmoulage d’un insert.

Sur les jonctions selle, pédalier et dropout, il peut être utile de prévoir la fixation de composants standard du marché (par exemple un porte bagage, un garde boue, une béquille, etc.). Ces éléments sont des composants standards du marché. Ainsi, des spécificités d’entraxe, de diamètre ou bien de profondeur existent. Concernant la jonction selle, des inserts filetés peuvent être sertis pour supporter des vis au niveau de haubans.

Des inserts filetés peuvent aussi être sertis sur la jonction pédalier pour fixer le carter de protection en plastique sous la jonction ou encore le garde boue au niveau de la partie arrière de la jonction. Ces inserts filetés sont sertis à l’étape de reprise, c’est-à-dire après avoir injecté la résine et éliminé la cire. Leur intégration à l’étape de drapage est aussi possible.

Les jonctions pédalier et dropout peuvent aussi intégrer des inserts en alliage pour des raisons techniques.

En effet, la jonction pédalier doit intégrer un roulement de pédalier. Dans le domaine des cycles, il existe plusieurs standards (dont le « BSA », le «Press Fit», « BB30 », etc.). Certains de ces roulements, tels que le BSA, possèdent un filetage qui nécessite un contact avec une surface métallique. Une pièce508correspondante peut ainsi être intégré au noyau. Cette pièce est par exemple en aluminium ou en acier. Elle peut être soudée à une tôle en aluminium509d’une forme spécifique et dotée de trous permettant le passage de la résine à travers celle-ci. Cette tôle a une forme allongée qui se poursuit en direction des bases. Cette forme permet de s’affranchir localement de l’utilisation de cire. Ainsi, sur la jonction pédalier, le drapage peut se réaliser partiellement sur le noyau cire et partiellement sur la pièce508.

Dans le cas de la réalisation des jonctions «dropout», la contrainte technique est liée à la fixation de plus composants extérieurs au cadre mais constitutifs du vélo. Il s’agit des pates fusibles de fixation de la roue arrière, de l’étrier de frein arrière, de la béquille, du porte bagage ou garde boue. L’ensemble de ces éléments se fixent traditionnellement par des vis. Les contraintes mécaniques étant trop importantes, la solution de l’insert fileté n’est pas suffisante. Une pièce de renfort peut être intégrée à la pièce. Par exemple, il s’agit d’une tôle en aluminium. Cette tôle peut être pliée et intégrée au sein de la pièce. Cette tôle permet de réaliser des filetages directement dans la jonction dropout, de réaliser la fixation de l’étrier de frein par des vis qui la traverse sans détériorer le composite.

L’ensemble des reprises et perçages dont taraudage sont réalisés après injection de la pièce.

Les tôles utilisées pour les jonctions de dropout et de pédalier sont en alliage ce qui permet d’éviter la corrosion. Avant utilisation, ces tôles peuvent être préparées pour créer de l’adhérence avec le lin et la résine. Les angles des tôles peuvent aussi être «cassés» afin de faciliter le drapage et de diminuer le risque de coupe du tissu sur des angles vifs. Alternativement, les tôles peuvent être réalisées en acier. Dans ce cas, il est possible de se dispenser de l’étape de préparation (hormis s’assurer de leur propreté). En effet, l’acier est mécaniquement plus performant, ainsi les épaisseurs nécessaires sont inférieures à celle nécessaires à de l’alliage pour les filetages par exemple.

La illustre la fabrication d’une jonction «dropout»600selon des modes de réalisations. Les bases et haubans qui constituent les triangles arrière d’un cadre de bicyclette ont des diamètres d’emmanchement inférieurs au diamètre du tubes de selle, supérieur et inférieur. Ces tubes relient les jonctions pédalier, selle et dropout. Compte tenu des contraintes d’épaisseur de pièce (localement inférieure à 20mm), la jonction «dropout » n’est pas réalisée au moyen de cire. Pour cette pièce, l’objectif est plutôt d’avoir une section de pièce de diamètre constant avec une bonne tolérance. Ceci est possible en utilisant des tôles. Selon des modes de réalisation, des mandrins métalliques601,602sont réalisés par exemple en acier, d’un diamètre spécifique compatible entre les moules et tôles des jonctions pédalier et dropout. Ces mandrins sont par exemple dotés d’encoches603à une extrémité permettant leur extraction après utilisation. De l’autre côté, le mandrin observe une fente604qui lui permet de s’insérer dans la tôle pédalier ou dropout. Ces tôles ont aussi une fente605orientée à 90° par rapport au mandrin. Le mandrin est ainsi dans une position stable et fixe par rapport à la tôle, il ne peut plus réaliser de rotation mais seulement une translation selon son axe. Pour réduire sa capacité de translation, la tôle et le mandrin peuvent être ajustés et montés en force. Enfin, le mandrin n’est pas drapé par le lin sur la totalité de sa longueur que la distance disponible puisse être utilisée comme élément de positionnement dans le moule RTM. L’utilisation de mandrins qui s’encastrent dans les tôles, il est possible d’avoir une section de tube lin constante sur une distance spécifique, avec une orientation contrôlée.

La illustre la fabrication des potences. Ces pièces ont une faible épaisseur (de l’ordre de 1mm). En effet, les potences peuvent accueillir des éléments électroniques qui doivent rester accessibles. Il faut donc avoir une potence en deux parties démontables tout en assurant une bonne étanchéité. Pour cela, une feuillure est utilisée, c’est-à-dire que les deux pièces en composite de la potence se chevauchent. La feuillure est réalisée au moyen de moules spécifiques en plusieurs parties. Par exemple, le moule pour la potence comporte deux demi-moules701,702et deux tiroirs703,704qui s’imbriquent. La feuillure est réalisée par l’insertion de tissus dans l’espace disponible entre les deux tiroirs. Le lin est par exemple inséré avec une spatule de faible épaisseur. La résistance mécanique de la pièce est assurée par la présence de fibres. Les deux tiroirs sont par exemple refermés entre eux au moyen d’un aimant placé sur l’un des tiroirs alors qu’en pièce métallique est placée sur l’autre tiroir. Ceci permet une manipulation plus facile de l’ensemble.

De manière générale, les moules pour couler la cire utilisée selon les modes de réalisation décrits peuvent être réalisés dans un matériau qui n’exige pas une grande résistance mécanique. En effet, les moules pour les noyaux en cire sont peu sollicités mécaniquement. Par exemple, une planche usinable rigide constituée de plastique chargé de poudre d’alliage ou non peut être utilisée. Les moules ne sont pas pourvus de joints d’étanchéité car la cire, lorsqu’elle est introduite dans le moule, est dans un état liquide mais plus visqueux que l’eau à température ambiante. Ainsi malgré la présence d’un jour entre les 2 demi-moules, la cire ne peut pas fuir. Par exemple, la cire est fondue à une température comprise entre 100 et 120°C environ. Les moules peuvent être compatibles avec une coulée de cire par gravitée ou bien sous pression. Ils peuvent en outre avoir une conception en matériau massif afin de dissiper un maximum la température et diminuer le temps de refroidissement nécessaire. La fermeture de ces moules peut se réaliser au moyen de serre-joints ou bien de vis. Des inserts filetés peuvent être intégrés directement dans le moule.

La illustre le cycle d’utilisation de la cire dans un processus de fabrication de pièces selon des modes de réalisation. La cire peut être utilisée pour plusieurs raisons. Sa mise en œuvre est aisée. Il est possible de la réutiliser la cire plusieurs fois. En outre, elle permet le respect des contraintes géométriques des pièces réalisées malgré la variation de la température durant le procédé de fabrication. Son impact environnemental est limité. Cependant, d’autres techniques peuvent être utilisées pour la réalisation des pièces. Par exemple, il est possible d’utiliser des noyaux en latex ou tout autre matériau gonflable. Les pièces de tissus sont alors placées sur le noyau, ledit noyau n’étant pas ou étant partiellement gonflé. L’ensemble est ensuite présenté dans le moule et le noyau est enfin gonflé. Une fois la résine injectée, le noyau est dégonflé. Le noyau fusible est légèrement inférieur à la taille théorique afin que le système Noyau/ tissus s’insère facilement dans les moules. Le moule est ensuite refermé et le noyau gonflé. L’avantage de cette technique est que le drapage est facile sur le système noyau + vessie car il se réalise sur un élément plutôt rigide. Ainsi les tissus sont placés précisément et rapidement.

Selon d’autres réalisations, une mousse peut être utilisée que l’on élimine en fin de processus de fabrication.

Dans le cas de l’utilisation de la cire, celle-ci est fondue à une température comprise entre 100 et 120°Cdans un outillage spécifique. Ensuite, un contenant peut être utilisé pour le transfert dans le moule avec des moyens de chauffage sur un robinet de purge afin de s’assurer que la cire ne fige pas durant son transfert. La coulée se fait alors par gravité. Alternativement, il est possible d’utiliser une ceinture chauffante afin que la cire reste dans un fut et soit injectée sous pression. La coulée se fait alors par injection.

Une fois la cire fondue, elle est coulée dans le moule du noyau soit par gravité ou soit coulée par injection.

Après coulée, la cire refroidit de sorte à avoir un refroidissement progressif afin de limiter les contraintes internes que la cire pourrait avoir lors d’un refroidissement trop brusque. Par exemple le refroidissement se fait à température ambiante, au tour de 20 degrés Celsius. La durée de refroidissement est déterminée en fonction du volume de cire coulée et aussi des diamètres des sections coulées.

Après le moulage des noyaux, ceux-ci sont conformés. Pour cela, ils sont présentés encore chaud (et donc légèrement malléables) dans des consommateurs dédiés ou bien dans les moules RTM.

Le refroidissement de la cire est lent afin que la cire chaude se solidifie à cœur. Comme indiqué, afin de conformer la cire, les moules RTM peuvent être utilisés. Alternativement des conformateurs spécifiques peuvent être utilisés. En effet, après avoir été coulée, la cire est démoulée du moule de cire afin de le rendre de nouveau disponible pour la prochaine coulée. Durant ce laps de temps de solidification totale, la cire peut encore travailler et se tordre. La conformation permet de limiter cet effet, jusqu’à rigidification totale. Après cette étape de conformation, les noyaux en cire peuvent être stockés sur des racks dans une pièce ayant une variation de température modérée. En effet, les effets de la chaleur sur ces pièces sur un temps prolongé est comparable à un effet de fluage pour les métaux.

Le cycle de vie de la cire comporte donc neuf étapes illustrées par la . Ce cycle peut être répété plusieurs fois. Le nombre de fois que cette cire peut être recyclée est basée sur plusieurs critères. Pour un opérateur, les moyens les plus rapides et efficaces de déterminer si la cire est en fin de vie est de comparer sa couleur à un nuancier ou bien de mesurer sa rétractation après injection. Si sa rétractation est supérieure à la tolérance fixée, alors la cire est renouvelée (partiellement ou complètement). Ce vieillissement de la cire est dû aux montées en température réalisées de manières cycliques qui et détériorent progressivement ses propriétés.

Lors de la première étape801, la cire est chauffée à une température supérieure à son point de fusion afin qu’elle soit sous état liquide. La température atteinte est par exemple de 100°C ou plus. Ensuite, lors de l’étape802, la cire est par exemple injectée sous pression (variable selon le type de noyau à injecter). Cette pression est par exemple comprise entre 2 et 4 bars. Le temps d’injection varie aussi selon le volume de cire à injecter. Après plusieurs minutes d’injection, la cire est refroidie dans une étape803. Le démoulage804du noyau est possible après une chute de température, par exemple de 20°C, du système Moule + Cire injectée. La cire démoulée peut en outre être placée dans un conformateur afin de s’assurer de l’absence de gauchissement ou de malformation de la pièce.

Après avoir validé le noyau de cire, celui-ci est stocké lors d’une étape805 .Des supports spécifiques peuvent être utilisés pour permettre de ne pas se déformer avant l’habillage avec du tissu (par exemple en lin).

La pièce est ensuite formée lors de l’étape806 .Le noyau est habillé de tissu (par exemple de lin) en vue de l’injection de résine. La résine est injectée et cuisson est réalisée.

Le noyau est ensuite fondu lors d’une étape807. Cette étape permet d’obtenir une pièce structurelle creuse semi-finie mais aussi de récupérer la cire en vue de la réutiliser pour la prochaine production.

Après avoir réalisé la post cuisson de la pièce, la cire fondue peut être récupérée dans un bac de récupération. Cette cire est ensuite filtrée lors d’une étape808. Cela permet d’éliminer les éventuels morceaux de fibres de tissu ou de résine. La filtration peut se faire à travers un tamis ayant un maillage adéquat. Par exemple, le maillage est de l’ordre de 2 à 3mm. Cette étape se réalise à chaud afin que la cire soit encore liquide. Une fois la filtration réalisée, la cire peut être stockée lors d’une étape809en vue d’une future utilisation.

L’injection de la cire pour réaliser le noyau est décrite plus en détails en référence à la . Un moule901pour jonction de direction avec une barre902est relié à un pot903dans lequel de la résine a été introduite sous pression au moyen d’un dispositif904. D’autres types de moules peuvent être utilisés. Le pot est maintenu fermé sous pression au moyen de d’éléments de fixation905. Le pot et le moule sont reliés par un tube d’injection906. Par exemple, il s’agit d’un tube flexible.

Comme déjà indiqué la réalisation d’un noyau de cire se fait par injection dans le moule, suivi du démoulage et du refroidissement. Pour l’injection, un opérateur a par exemple à sa disposition le moule, le pot sous pression contenant la cire chaude, le tube reliant le pot sous pression au moule. L’opérateur peut en outre disposer, pour le moule, d’une une presse chauffante, d’une étuve et de moyens de serrage.

La cire peut être chauffée en dehors du pot sous pression et introduite dans le port au dernier moment avant l’injection. Alternativement, la cire est initialement dans le pot sous pression et ce pot est maintenu à température (de sorte que la cire soit liquide dans le pot) via une couverture chauffante ou tout autre système similaire.

Parallèlement, le moule est aussi chauffé mais à une température légèrement inférieure (par exemple environ 20°C de moins) que la température de la cire. De cette manière, la cire, lorsqu’elle est injectée, ne fige pas instantanément dans le moule, mais de manière contrôlée. Cette chauffe du moule peut être réalisée de différentes manières. Par exemple, le moule est positionné dans une étuve et fermé par des serre-joints. Par exemple encore, le moule est positionné dans une presse chauffante, ce qui a l’avantage de maintenir le moule compressé avec une compression contrôlée.

Une fois le moule ainsi que la cire chaude, l’injection peut être déclenchée. La cire est conduite sous pression du pot sous-pression vers le moule via un tube de connexion (par exemple un tube flexible en Rilsan®) dont le diamètre peut être choisi de sorte à assurer une bonne vitesse d’injection tout en évitant les phénomènes de bulles d’air et/ou de solidification de la cire à l’intérieur du tube.

Après l’injection, le moule se refroidit progressivement avant le démoulage de la pièce en cire. Ce temps permet à la cire de figer suffisamment pour que l’opérateur puisse la manipuler. Après ce temps, l’opérateur peut réaliser le démoulage de la pièce.

Les formes des noyaux peuvent parfois être complexes, comme le noyau de jonction de direction, et donc nécessiter des mandrins. Ces mandrins sont extraits soit à la main par l’opérateur, soit par une démandrineuse. Il est possible, afin de réduire le rétrécissement localement de la pièce, d’introduire des cales ou des conformateurs avant le refroidissement total de la pièce

Le processus de moulage des pièces est décrit dans ce qui suit, en référence à la .

Pour cela, des moules utilisés qui ont une bonne tenue mécanique aux à des températures de service proche de 100 degrés. La conductivité thermique est aussi un paramètre de choix du matériau pour permettre le recuit et le refroidissement des pièces. Par exemple, les moule pour les pièces sont réalisés dans un matériau peu coûteux, facilement usinable et modifiable.

Contrairement aux moules pour le noyau des pièces, le moule pour les pièces elles-mêmes disposent d’un moyen d’étanchéité, par exemple, une corde à joint entre deux demi-moules. Une gorge de dimension adéquate peut donc être prévue sur chaque demi-moule pour accueillir la corde tout en assurant l’étanchéité lorsque ceux-ci sont refermés l’un sur l’autre. Une gorge trop serrée peut occasionner des problèmes de compression et de déchirement de la corde. La corde a joint peut être biseautée à proximité du canal recevant le tuyau d’injection et d’évent.

L’injection de la résine dans les moules peut se faire au moyen de tubes. Par exemple, il s’agit de tuyaux en PUR / PU ou autre matériau souple ayant une souplesse comprise entre 70 et 90 Sh A. Le choix de la section du tube se fait en sorte à être identique à celle de l’entrée usinée dans les moules. L’objectif est d’éviter toute perte de charge au sein du système. De telles pertes peuvent empêcher les montées en pression et favoriser le débullage partiel. Les pièces produites pourront ainsi être poreuses et donc inutilisables.

Comme déjà indiqué, des tiroirs sont utilisés pour la réalisation des jonctions selle et pédalier afin de mouler l’intérieur des haubans et des bases respectivement. Ces tiroirs sont conçus de telle manière que lorsque le moule est en cours de fermeture, les tiroirs tendent les fibres de façon optimale. La contrainte dimensionnelle de ces tiroirs est qu’ils doivent rester à l’intérieur du volume rendu étanchéifié par la corde à joint.

Pour l’ensemble des moules pour l’injection de résine (hormis pour les potences), les extrémités des jonctions peuvent présenter des sur-longueurs. Ceci permet de faciliter le drapage avec un positionnement des tissus plus permissif. Cela permet aussi d’assurer la finition des pièces et une bonne densité de fibre. La sur-longueur dépend de la pièce à réaliser et peut varier selon les applications.

Le procédé utilisé selon le mode de réalisation décrit ici diffère des procédé dits RTM classiques ou encore RTM « light ». En effet, le vide d’air n’est pas réalisé afin de ne pas complexifier le processus et les pressions d’injection utilisées ne sont pas trop élevées. Le procédé utilisé selon le mode de réalisation décrit permet de travailler à basses pressions avec de bonnes performances mécaniques pour les pièces réalisées. En éliminant les contraintes liées à la réalisation du vide et de la résistance à la pression, il est possible de réduire les coûts tout en maintenant une bonne cadence de production.

Une empreinte1001d'un moule rigide est fermé par l’injection de résine en un ou plusieurs points1006. Dans cette empreinte, un noyau drapé de tissu1002(par exemple du lin) est placé pour obtenir les pièces. A l’opposé de ces points d’injection, peuvent se trouver des points d’évents permettant de réaliser la purge d’air des pièces en cours d’injection. Après plusieurs minutes, grâce à la température élevée du moule, la résine polymérise (se durcit). Après polymérisation les moules peuvent être ouvert afin de procéder au démoulage de la pièce.

Un pot sous pression (non représenté) comporte la résine à injecter. Des pots supportant à des pressions plus importantes peuvent être utilisés. Plus la pression d’injection est importante, plus la taille des bulles emprisonnées dans les pièces et donc les porosités sont petites.

Des tuyaux souples d’injection1006, par exemple en PU, PUR ou équivalent permettent d’acheminer la résine dans le moule. Comme déjà indiqué, le diamètre est choisi en sorte à être pincés à la fermeture des moules sous la presse et ne pas s’arracher lors de la montée en pression. Le tuyau d’injection (ainsi que les tuyaux d’évent) peut être scellé au moyen de «clamps».

La partie supérieure du moule1004, sur laquelle se trouve le point d’injection est refermée sur l’empreinte1001au moyen d’une presse chauffante pivotante (non représentée). Par exemple, la presse peut travailler dans une plage de température de 22° à 180°C. Une fois la résine injectée la pièce est placée dans un four travaillant dans une plage de température de 100°C à 120°C.

Avant de réaliser la première injection, le moule peut être préalablement chauffé, par exemple à une température comprise entre 65 et 95°. Cette température varie selon le matériau utilisé pour le moule. Il peut s’agir de plaque de plastique usinable ou bien d’un alliage d’aluminium.

Dans une première étape(a), la pièce drapée1002est présentée dans l’empreinte1001du moule ouvert.

De la corde à joint1003est ensuite placée dans la gorge prévue à cet effet. Du silicone peut être appliqué pour assurer l’étanchéité au niveau des points d’injection et d’évent.

S’ils ne sont pas en place, les tubes d’injection et d’évent sont connectés. Le moule est alors refermé lors d’une étape(b)sous la presse pour la mise sous contrainte. La pression de fermeture peut être comprise entre 5 et 10 tonnes selon le type de moule.

Le mélange Résine Epoxy / durcisseur est préparé selon les proportions et quantités prévues pour chaque pièce. La résine est disposée dans un pot (non représenté) et mise sous pression afin de pouvoir être injectée. Le pot sous-pression est ensuite raccordé du tuyau d’injection et de l’alimentation en air lors d’une étape(c). Le tuyau d’évent est quant à lui raccordé au pot poubelle (non représenté).

Le pot est mis sous pression (par exemple une pression légèrement supérieure à la pression atmosphérique) afin que la résine rentre dans le moule lors de l’étape(d)par le biais du tuyau d’injection. Cette étape est sous basse pression afin que la résine ait le temps d’imbiber les tissus secs. La résine1007commence par remplir un espace1005laissé entre la partie supérieure du moule et la pièce drapée.

Selon le débit de résine, une montée progressive de pression est effectuée. La pression maximale atteinte est variable selon la pièce produite. Par exemple elle peut atteindre 4 bars. Cette augmentation progressive de la pression permet d’optimiser la consommation de résine tout en obtenant une pièce avec peu de porosité. Le clamp du tuyau d’évent est ensuite fermé.

Le clamp du tuyau d’injection est à son tour refermé, en augmentant une dernière fois la pression lors d’une étape(e). Cela permet à la résine d’imprégner complètement le tissu. Le pot sous pression est ensuite déconnecté du tuyau d’injection et de l’alimentation en air.

Lors d’une étape(f), le moule est laissé au repos pour polymérisation. Un minuteur est enclenché afin de contrôler la durée de polymérisation. Ce minuteur donne un temps approximatif de maintien au chaud du moule sous presse qui est variable selon différents paramètres qu’ils ne sont pas toujours possibles de contrôler. Il s’agit par exemple de la taille du moule (pour certains moules de grandes dimensions, les extrémités des moules sont moins chaud, ce fait la résine prends plus de temps à polymériser), la taille de la pièce à injecter, la température ambiante de travail si la salle n’est pas constituée d’un système de régulation de la température. Il s’agit aussi de la récupération de la résine de l’ancienne injection et qui a donc commencé son travail de polymérisation (dans l’objectif de réduire les pertes de résine). Il peut enfin s’agir de la température des moules (en particulier en début de cycle, lorsque les moules sont en cours de chauffe).

Après le temps de maintien au chaud et sous presse nécessaire, le moule est sorti et présenté sur une table pour être ouvert. L’objectif est le démoulage de la pièce qu’il contient. L’ouverture du moule est rendue possible par la présence de rainures sur les bords de moule qui permettent l’insertion de cales ou de leviers. Le demi-moule ouvert, la pièce récemment injectée peut-être démoulée. Pour cela, le demi-moule la contenant est positionné sur des cales qui permettent de le surélever.

La présente invention a été décrite et illustrée dans la présente description détaillée en référence aux figures jointes. Toutefois la présente invention ne se limite pas aux formes de réalisation présentées. D’autres variantes, modes de réalisation et combinaisons de caractéristiques peuvent être déduits et mis en œuvre par la personne du métier à la lecture de la présente description et des figures annexées.

Pour satisfaire des besoins spécifiques, une personne compétente dans le domaine de l’invention pourra appliquer des modifications ou adaptations.

Dans les revendications, le terme “comporter” n’exclut pas d’autres éléments ou d’autres étapes. Les différentes caractéristiques présentées et/ou revendiquées peuvent être avantageusement combinées. Leur présence dans la description ou dans des revendications dépendantes différentes, n’exclut pas en effet la possibilité de les combiner. Les signes de référence ne sauraient être compris comme limitant la portée de l’invention.

Claims (10)

1. Procédé de fabrication d’une pièce creuse en matériau composite comprenant les étapes suivantes :
   - moulage (201) d’un noyau, ledit noyau étant configuré pour être rétractable,
   - drapage (202) dudit noyau par au moins une pièce en tissu, ledit tissu étant en matière végétale,
   - injection (204) de résine dans ledit tissu drapé sur ledit noyau,
   - cuisson (206) de ladite résine injectée dans ledit tissu, et
   - retrait (207) dudit noyau.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel ledit noyau est réalisé dans un matériau fusible, de préférence une cire.
3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel, le retrait dudit noyau se fait par fusion, lors de ladite étape de cuisson.
4. Procédé selon l’une quelconque des revendications 2 et 3, dans lequel, des dimensions d’un moule pour ledit moulage dudit noyau tiennent compte d’un facteur d’homothétie par rapport à des dimensions de ladite pièce creuse, ledit facteur d’homothétie étant calculé pour compenser une rétractation de la matière fusible après refroidissement dans ledit moule.
5. Procédé selon l’une quelconque des revendications 2 à 4, dans lequel ledit noyau est moulé dans un moule en matière plastique chargée d’un adjuvant, de manière préférentielle un dépôt de poudre d’aluminium.
6. Procédé selon la revendication 1, dans lequel ledit noyau est réalisé dans un matériau gonflable, ledit moulage étant réalisé par gonflage dudit noyau et ledit retrait étant réalisé par dégonflage dudit noyau.
7. Procédé selon la revendication 1, dans lequel ledit noyau comprend un mandrin métallique.
8. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ledit tissu comporte des fibres végétales, de préférence des fibres de lin.
9. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ladite pièce creuse est une pièce de cadre de bicyclette parmi une jonction de selle, une jonction de direction, une jonction de pédalier et une potence de guidon.
10. Dispositif de jonction d’éléments de cadre de bicyclette comprenant un corps creux, ledit corps creux comprenant un tissu en matière végétale et une résine injectée dans ledit tissu végétal.