EP3380309A1 - Tete d'application de fibres avec rouleau souple muni d'une couche exterieure metallique - Google Patents

Tete d'application de fibres avec rouleau souple muni d'une couche exterieure metallique

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Publication number
EP3380309A1
EP3380309A1 EP16816324.4A EP16816324A EP3380309A1 EP 3380309 A1 EP3380309 A1 EP 3380309A1 EP 16816324 A EP16816324 A EP 16816324A EP 3380309 A1 EP3380309 A1 EP 3380309A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cylinder
application
roller
head
fibers
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP16816324.4A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Johann Caffiau
Jean Philippe WEBER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Coriolis Group
Original Assignee
Coriolis Group
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Coriolis Group filed Critical Coriolis Group
Publication of EP3380309A1 publication Critical patent/EP3380309A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
    • B29C70/04—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
    • B29C70/28—Shaping operations therefor
    • B29C70/30—Shaping by lay-up, i.e. applying fibres, tape or broadsheet on a mould, former or core; Shaping by spray-up, i.e. spraying of fibres on a mould, former or core
    • B29C70/38—Automated lay-up, e.g. using robots, laying filaments according to predetermined patterns
    • B29C70/382—Automated fiber placement [AFP]
    • B29C70/384—Fiber placement heads, e.g. component parts, details or accessories

Definitions

  • the present invention relates to a fiber application head for a fiber application machine for producing parts made of composite material, and more particularly to a so-called fiber placement head equipped with a particular application roller.
  • the present invention also relates to a method of manufacturing parts made of composite material by means of a corresponding application head.
  • Fiber application machines commonly known as fiber placement machines, are known for contacting drape tools, such as a male or female mold, with a wide web of multiple flat fibers.
  • continuous, ribbon type dry or impregnated with thermosetting or thermoplastic resin, especially carbon fibers consisting of a multitude of carbon threads or filaments.
  • thermoplastic or thermosetting resin conventionally in an amount of at least 40% by weight
  • the prepreg preform obtained after draping is cured or polymerized by passing through an oven to obtain a piece of composite material.
  • the fibers comprise a reduced quantity of so-called binding resin, also called a binder, generally a thermoplastic resin, in an amount of less than or equal to 5% by weight, to give a character sticky to the fibers during draping.
  • binding resin also called a binder
  • thermoplastic resin in an amount of less than or equal to 5% by weight
  • These machines conventionally comprise a fiber application head, a displacement system of said head, fiber storage means, and fiber routing means for conveying the fibers. fibers of said storage means to the head.
  • the head conventionally comprises an application roller, also called compaction roller, intended to come into contact against the mold for applying the strip, and fiber guiding means on said application roller.
  • the head further generally comprises a heating system for heating the fibers.
  • the compaction roller presses the fiber web against the application surface of the mold, or against the previously deposited fiber web or strips, in order to facilitate the adhesion of the strips deposited between them, as well as to progressively evacuate trapped air between the deposited tapes.
  • the heating system provides a heating of the fiber web to be applied, and / or the mold or strips already applied upstream of the compaction roller, just before the compaction of the web, in order to at least soften the resin of pre impregnation or binding resin, and thus promote the adhesion of the strips together.
  • the prepreg fibers are simply heated to soften them, typically at temperatures of the order of 40 ° C.
  • the heating system conventionally comprises an infrared heating system comprising one or more infrared lamps.
  • the preimpregnated or bindered fibers must be heated to higher temperatures, at least up to the melting temperature of the resin, of the order of 200 ° C for resins nylon type, and up to about 400 ° C for PEEK type resins.
  • the fiber placement heads are conventionally equipped with heat-resistant metal compacting rollers, which can further be cooled from the inside via a water circuit.
  • segmented metal compacting rollers comprising several independent roller segments mounted side by side on the same axis, each segment being movable radially and independently, and being resiliently biased against the application surface.
  • Flexible rolls formed from a so-called high temperature elastomer, including a thermal stabilizer, are also used. To cool them, it has been proposed to equip the placement heads with a cooling system capable of delivering a flow of air to cool the roll from the outside or from the inside, as described in the patent document FR 2948058. Despite these cooling systems, the flexible rolls may tend to deteriorate rapidly in the case of the implementation of thermoplastic resins.
  • the object of the present invention is to provide a solution to overcome the aforementioned drawbacks, which allows in particular the implementation of a wide variety of resins, both thermosetting and thermoplastic, with a substantially uniform compacting of the applied band, and which be simple of design and realization.
  • the present invention proposes a fiber application head for producing composite material parts, comprising a compaction roller, also called an application roller, for the application of a strip formed from one or a plurality of flat fibers on an application surface, and preferably a guiding system for guiding at least one fiber to said application roller, a heating system capable of emitting thermal radiation in the direction of the web just prior to application by the application roller, said compacting roller comprising a rigid central tube by which said roller is rotatably mounted on a support structure of the head, and at least one cylinder made of a flexible or flexible material, elastically deformable, assembled coaxially, directly or indirectly, on said central tube, characterized in that said compacting roller further comprises a metal outer layer.
  • the roll is equipped with a flexible, thin metal outer layer, for example formed of a sheet or metal strip, by which said roll is intended to come into contact with the application surface.
  • the said metal layer serves as a screen for the thermal radiation emitted by the heating, and avoids overheating of the compaction roller.
  • Said metal layer is flexible, so that the roll can be deformed to allow draping with a compacting force. After compacting, the cylinder of flexible material resumes its original shape and urges the metal layer to its cylindrical shape. The cylinder of flexible material thus protected from thermal radiation, does not rise in temperature and degrades little. Moreover, the thin metal layer, stores little heat, and it dissipates quickly.
  • a metal layer according to the invention makes it possible to obtain a thermally stable flexible compaction roller that can be used for applying fibers at high temperatures, in particular greater than 400.degree. C., in particular for applying fibers. impregnated with thermoplastic resins.
  • the head according to the invention which comprises a compact compaction roller simple design, offers the possibility of using a wide variety of thermosetting or thermoplastic resins combined with a wide variety of fibers, synthetic or natural, hybrid or not, including fibers commonly used in the field of composites, such as glass fibers, carbon fibers, quartz fibers, and aramid fibers.
  • said metal layer is formed of a strip or metal foil, preferably in the form of a so-called seamless belt, preferably having a thickness of between 20 and 1000 micrometers, preferably between 20 and 500 micrometers, more preferably between 20 micrometers and 200 micrometers, and particularly preferably between 50 micrometers and 200 micrometers.
  • a strip returns elastically in its original cylindrical shape under the effect of the cylinder of flexible material.
  • said metal layer is formed of a steel strip, preferably stainless steel.
  • said strip is aluminum, brass, copper, or bronze.
  • the strip may be in the form of a metal belt, said seamless.
  • the seamless strip may for example be obtained by spinning or deep drawing.
  • the strip is in the form of a welded belt, the weld then being preferably helical, so that the whole of the weld can not be reached at the same time by the radiation of the heating system.
  • the helical weld may have at least one turn, or less than one turn. In the latter case, the weld can form an angle with respect to the axis of the metal belt up to 45 °, for example of the order of 30 °.
  • said metal strip has on its outer face a non-stick treatment and / or a reflective treatment, said strip being for example provided with a release and / or reflective film.
  • said metal layer is bonded to said cylinder.
  • said metal layer is formed by deposition of thin layer on the cylinder, for example by vacuum plasma deposition, in particular a thin layer of gold.
  • said compaction roller comprises a cylinder of an elastomer material, preferably unexpanded, for example a silicone or a polyurethane, preferably made of silicone, preferably having a hardness of between 25 shore A and 95 shore A preferably between 25 and 80 shore A, better still between 40 and 60 shore A.
  • an elastomer material preferably unexpanded, for example a silicone or a polyurethane, preferably made of silicone, preferably having a hardness of between 25 shore A and 95 shore A preferably between 25 and 80 shore A, better still between 40 and 60 shore A.
  • the compacting roll comprises a foam cylinder, for example an expanded elastomer such as a polyurethane foam, preferably having a density of between 200 kg / m 3 and 500 kg / m 3 .
  • said compaction roll comprises a first cylinder assembled on the central tube and a second cylinder assembled on the first cylinder, said metal layer being assembled on the second cylinder, the first cylinder and the second cylinder.
  • cylinder being formed from flexible materials, elastically deformable, different, for example two elastomers of different hardness, or an elastomer and a foam.
  • the head comprises a cooling system capable of cooling the application roller from outside and / or inside, preferably at least from the outside, the head possibly comprising a drive system. adapted to rotate the application roller, when the roller is not in contact with the application surface.
  • said roll is externally cooled by a gaseous flow directed towards its cylindrical outer surface during the application operations, during the laying paths and the connecting paths, and as well as preferably when the head is in the waiting position.
  • the compaction roll comprises at least one temperature sensor mounted on the internal face of the metal layer, in particular the internal face of a strip, preferably several temperature sensors distributed at regular angular space and / or or at regular intervals along the length of the roll, the sensors, in particular of the thermocouple type, being preferably assembled on said internal face.
  • the head constitutes a fiber placement head comprising cutting means and means of rerouting, and possibly fiber blocking means. According to one embodiment the head is used to perform a filament winding type application.
  • said heating system is a laser-type system, in particular laser diodes, a YAG laser or a fiber laser.
  • the heating system may include one or more infrared lamps.
  • the present invention also relates to a method of manufacturing a composite material part comprising the application of continuous fibers to an application surface, characterized in that the application of fibers is carried out by means of a head of application of fibers as defined above, by relative displacement of the application head relative to the drape surface along trajectories depositing, the fibers being compacted during their application by means of said application roller.
  • the fibers conventionally used are continuous flat fibers, also called wicks, generally unidirectional, and comprising a multitude of filaments.
  • the deposited fibers may be dry fibers or fibers pre-impregnated with thermosetting or thermoplastic resin.
  • the fibers typically have widths of 1/8, 1/4 or 1/2 inches.
  • the term "fibers" also refers to fibers of greater width, greater than 1/2 inch, conventionally referred to as a strip in placement technology.
  • the method according to the invention is particularly advantageous in the case of the production of dry preforms made from dry fibers provided with a binder and / or thermoplastic preforms made from fibers pre-impregnated with thermoplastic resin, requiring temperatures. high heating during draping to at least reach the melting point of the binder and / or thermoplastic resins.
  • the method further comprises a resin impregnation step in the dry preform, by adding one or more impregnation resins by infusion or injection to the dry preform, and a step of hardening to obtain a composite material part.
  • a resin impregnation step in the dry preform by adding one or more impregnation resins by infusion or injection to the dry preform, and a step of hardening to obtain a composite material part.
  • the preform may optionally be subjected to an additional consolidation step to obtain a final piece of composite material.
  • In situ consolidation can also be achieved when fiber is applied.
  • the application of fibers may be performed on the application surface of a tool to form a preform, as described above.
  • the application of fibers is carried out directly on the application surface of a prefabricated part, to reinforce this part with unidirectional fiber reinforcements, the prefabricated part being for example a part obtained by injection, molding or additive manufacturing, from one or more thermoplastic and / or thermosetting resins.
  • FIG. 1 is a schematic side view of a fiber application head according to the invention, illustrating the compacting roller and the heating system;
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the compacting roller of FIG. 1;
  • FIGS 3 and 4 are diagrammatic views respectively of side and longitudinal section of the compacting roller of Figure 1, illustrating the crushing of the roll during draping;
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a compacting roller according to an alternative embodiment.
  • the application head 1 comprises a compacting roller 2 which is rotatably mounted about an axis A on a support structure (not shown) of the head.
  • the head is intended for the application of a band formed of several fibers arranged side by side.
  • the head is mounted by said support structure at the end of a displacement system, for example a robot wrist.
  • the head further comprises a heating system 9 also mounted on the support structure, upstream of the roll with respect to the advancing direction D of the application head when the fiber web 8 is applied to a surface
  • the heating device is, for example, a laser-type heating system, the radiation of which is directed towards the strip, just before it is compacted, as well as towards the strip or strips already deposited. As illustrated in FIG. 1, the radiation is thus directed obliquely towards the roller to heat a section of strip disposed on the roll, before it is compacted by the latter.
  • the head comprises guide means which guide the fibers entering the head to the compacting roller 2 in the form of a fiber web, the fibers of the web being arranged side by side substantially joined.
  • the compacting roll is brought into contact with the application surface of a mold S to apply the band.
  • the fibers are preferably flat continuous fibers, of the wicking type, pre-impregnated with a thermosetting resin or a thermoplastic resin, or dry fibers provided with a binder.
  • the binder is in the form of powder and / or one or more webs, preferably thermoplastic type.
  • the compacting roller according to the invention comprises a cylindrical body or cylinder 3 of a flexible material, elastically deformable by compression.
  • the cylinder has a central cylindrical passage for its assembly on a support core formed of a rigid cylindrical central tube, for example metallic, such as aluminum.
  • the cylinder 3 and the central tube 5 are coaxial and are integral in rotation with each other.
  • the cylinder is for example made of an unexpanded elastomer, such as a silicone or polysiloxane, or a polyurethane, preferably a silicone, for example a bicomponent silicone polymerizable at room temperature.
  • the cylinder has a hardness of between 30 shore A and 70 shore A, for example 40, 50 or 60 shore, which will be chosen according to the desired crushing rate of the roller for a given compacting force, this crushing rate being defined in particular according to the complexity of the application surface.
  • the cylinder 3 is externally coated with a metal outer layer 6, formed of a strip, also called sheet or foil, of thin stainless steel.
  • the cylinder 3 of flexible material gives the compaction roller a crushing capacity ensuring efficient compaction of the fibers during draping.
  • the rigid tube 5 allows the rotary mounting of the roll on the support structure.
  • the compacting roller is for example mounted on the support structure of the head by the open ends of its central tube, by means of bearings.
  • the strip 6 forms a radiation shield emitted by the heating system so that the cylinder of flexible material is not reached by said radiation.
  • the radiation is mainly absorbed by the metal strip.
  • a treatment is possibly applied on the outer face of the strip to give it reflective properties so that a portion of the radiation is reflected.
  • the draping of the fibers is carried out with a compacting force. Under this compacting force, the cylinder 3 and the strip 6 deform as shown in Figure 3. When the compaction force ceases, the cylinder and the strip elastically recover their cylindrical shape. The strip assembled to the cylinder deforms with the cylinder under the effect of the compacting force, and resumes its cylindrical shape when the cylinder elastically returns to its cylindrical shape. As illustrated in Figure 4, the barrel with its strip allows the compaction roll to accommodate variations in the curvature of the application surface in the length of the roll, and thus to apply a substantially uniform pressure. on the entire tape deposited.
  • the small thickness of the strip combined with the elasticity of the cylinder, allows a uniform deformation, known as two-dimensional, of the strip over the entire length of the roller, parallel to the axis A, as shown in Figure 3, and a so-called three-dimensional deformation of the strip not parallel to the axis A, as shown in FIG. 4, in the elastic limit of the strip.
  • the elastomer forming the cylinder optionally comprises charges, for example metallic, for better heat dissipation.
  • the strip is optionally provided on its outer face with a non-stick film, in order to limit the adhesion of the roller to the fibers, as well as the fouling of the roll.
  • the strip has a thickness of about 0.1 millimeter.
  • the strip is in the form of a metal belt, said seamless.
  • the strip is formed of a rectangular piece assembled for example by gluing on the cylinder, with an end assembly overlap or edge to edge.
  • the cylinder is formed from a silicone, said high temperature, and has a hardness of about 40 shore A.
  • the roll is manufactured in the following manner.
  • the tube is placed in the center of the cylindrical cavity of a mold, and the strip is placed against the cylindrical wall of the cavity, the inner face of the strip having been previously coated with a adhesion primer, or primer, for silicone.
  • a silicone resin and an associated catalyst are poured into the mold.
  • the laser-type heating system may comprise laser diodes, arranged in one or more rows, emitting radiation of wavelength (s) between 880 and 1030 nm for example, an optical fiber laser or a YAG laser, emitting at a wavelength of the order of 1060 nm.
  • the head can be equipped with a cooling system, for example as described in Patent Application FR15 / 00676, filed April 1, 2015 by the Applicant, adapted to deliver a flow of air, towards the roller compacting, to cool said compaction roller from the outside.
  • a cooling system for example as described in Patent Application FR15 / 00676, filed April 1, 2015 by the Applicant, adapted to deliver a flow of air, towards the roller compacting, to cool said compaction roller from the outside.
  • the roll advantageously comprises temperature sensors formed of thermocouples, assembled on the inner face of the strip, for example by welding.
  • the thermocouples are distributed on the cylindrical surface of the strip.
  • the length of the roll is provided for draping a strip of eight fibers
  • the roll comprises a plurality of sensors per fiber, for example three or four, the sensors of the same set are arranged at regular angular spacing from each other, and the sets are offset from each other in the length of the roller, a distance corresponding to a fiber width.
  • These sensors measure the temperature of the strip at different points, this temperature being proportional to the heating temperature of the fibers during draping operations.
  • thermocouple wires extend radially towards the central tube, pass through openings in this central tube and exit at the end of the central tube for their connection to the control unit.
  • the roll comprises a single set of sensors distributed at regular angular space, said assembly being arranged in the center of the roll.
  • FIG. 5 illustrates an alternative embodiment in which the compacting roller 102 comprises a rigid central tube 5 cylindrical, a first cylinder 104 made of a first flexible material, assembled on the central tube, a second cylinder 103 made of a second flexible material, assembled on the first cylinder, and a strip 6 assembled on the second cylinder, these various components of the roll being coaxial and integral in rotation from one another.
  • the first cylinder is for example a first material having a hardness greater than that of the second material forming the second cylinder.
  • the deformation of the roll under the compaction force comes for example mainly from the crushing of the second material.
  • the hardnesses of the first material and the second material, as well as the thicknesses of the first cylinder and second cylinder will be defined according to the desired crush rate.
  • the second material has a hardness greater than that of the first material, the deformation of the roll under the compaction force then comes mainly from the crushing of the first material, the second cylinder of harder material, which is in contact with the strip, then allows to limit the deformation of the strip and thus limit the risk of marking or irreversible deformation of the strip.
  • the two cylinders are for example formed of silicone of different hardnesses, for example a first cylinder with a hardness of 40 shore A and a second cylinder with a hardness of 60 shore A.
  • the first cylinder is formed of a polyurethane foam having a density of about 350kg / m 3
  • the second cylinder is formed of a silicone and has a hardness of between 35 and 40 shore A.
  • the roll can be obtained by pouring the silicone into a mold in which are placed the central tube and the strip, but by first assembling said central tube a foam cylinder.
  • the foam cylinder is for example formed by wrapping around the cylinder of the foam in the form of a plate.

Landscapes

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Abstract

La présente invention concerne notamment une tête d'application de fibres pour la réalisation de pièces en matériau composite, comprenant un rouleau de compactage (2) pour l'application d'une bande formée d'une ou plusieurs fibres plate sur une surface (S) d'application, un système de chauffage (9) apte à émettre un rayonnement thermique en direction de la bande, juste avant application par le rouleau d'application, ledit rouleau de compactage comprenant un tube central (5) et au moins un cylindre (3) réalisé en un matériau souple, déformable élastiquement, assemblé sur ledit tube central, caractérisée en ce que ledit rouleau de compactage comprend en outre une couche extérieure (6) métallique formée d'un feuillard métallique.

Description

TÊTE D'APPLICATION DE FIBRES AVEC ROULEAU SOUPLE MUNI D'UNE COUCHE EXTERIEURE METALLIQUE
La présente invention concerne une tête d'application de fibres pour une machine d'application de fibres pour la réalisation de pièces en matériau composite, et plus particulièrement une tête dite de placement de fibres équipée d'un rouleau d'application particulier. La présente invention concerne également un procédé de fabrication de pièces en matériau composite au moyen d'une tête d'application correspondante.
Il est connu des machines d'application de fibres, appelées couramment machines de placement de fibres, pour l'application au contact sur un outillage de drapage, tel qu'un moule mâle ou femelle, d'une bande large formée de plusieurs fibres plates continues, de type rubans, sèches ou imprégnées de résine thermodurcissable ou thermoplastique, notamment des fibres de carbone constituées d'une multitude de fils ou filaments de carbone.
Ces machines sont utilisées pour réaliser des préformes formées de plusieurs plis superposés, chaque pli étant formé par drapage sur le moule d'une ou plusieurs bandes côte à côte. Dans le cas d'un drapage de fibres pré-imprégnées de résine thermoplastique ou thermodurcissable, classiquement en une quantité d'au moins 40% en poids, la préforme pré-imprégnée obtenue après drapage est durcie ou polymérisée par passage dans un four pour obtenir une pièce en matériau composite. Dans le cas de fibres dites sèches, non préimprégnées de résines, les fibres comprennent une quantité réduite de résine dite de liaison, appelée également liant, généralement une résine thermoplastique, en une quantité inférieure ou égale à 5% en poids, pour conférer un caractère collant aux fibres lors du drapage. Après drapage, la préforme dite sèche est soumise à une opération d'injection ou d'infusion de résine avant l'étape de durcissement.
Ces machines, telles que décrites dans le document brevet WO2006/092514, comprennent classiquement une tête d'application de fibres, un système de déplacement de ladite tête, des moyens de stockage de fibres, et des moyens d'acheminement des fibres pour acheminer les fibres desdits moyens de stockage vers la tête. La tête comprend classiquement un rouleau d'application, également appelé rouleau de compactage, destiné à venir en contact contre le moule pour appliquer la bande, et des moyens de guidage des fibres sur ledit rouleau d'application.
La tête comprend en outre généralement un système de chauffage pour chauffer les fibres. Le rouleau de compactage presse la bande de fibres contre la surface d'application du moule, ou contre la ou les bandes de fibres précédemment déposées, afin de faciliter l'adhésion des bandes déposées entre elles, ainsi que pour évacuer progressivement l'air emprisonné entre les bandes déposées. Le système de chauffage assure un chauffage de la bande de fibres à appliquer, et/ou du moule ou des bandes déjà appliquées en amont du rouleau de compactage, juste avant le compactage de la bande, afin d'au moins ramollir la résine de pré-imprégnation ou la résine de liaison, et ainsi favoriser l'adhésion des bandes entre elles.
Dans le cas de résines thermodurcissables, les fibres préimprégnées sont simplement chauffées pour les ramollir, classiquement à des températures de l'ordre de 40°C. Le système de chauffage comprend classiquement un système de chauffage infrarouge comprenant une ou plusieurs lampes infrarouge.
Dans le cas de résines thermoplastiques, les fibres préimprégnées ou munies d'un liant doivent être chauffées à des températures plus élevées, au moins jusqu'à la température de fusion de la résine, soit de l'ordre de 200 °C pour des résines de type nylon, et jusqu'à environ 400°C pour des résines de type PEEK.
Pour atteindre ces températures plus élevées, il a été proposé des systèmes de torche à air chaud, et plus récemment des systèmes de chauffage de type laser pour obtenir un chauffage précis et concentré. En raison des températures de chauffage élevées, les têtes de placement de fibres sont classiquement équipées de rouleaux de compactage métalliques, résistants à la chaleur, qui peuvent en outre être refroidis par l'intérieur via un circuit d'eau. Pour pouvoir s'adapter au profil de la surface d'application, il a été proposé des rouleaux de compactage métalliques segmentés, comprenant plusieurs segments de rouleaux indépendants montés côte à côte sur un même axe, chaque segment étant déplaçable radialement et de manière indépendante, et étant sollicité élastiquement contre la surface d'application. Ces rouleaux métalliques segmentés s'avèrent toutefois de structure et de mise en œuvre complexes.
Des rouleaux souples formés à partir d'un élastomère dit haute température, incluant un stabilisant thermique, sont également utilisés. Pour les refroidir, il a été proposé d'équiper les têtes de placement d'un système de refroidissement apte à délivrer un flux d'air pour refroidir le rouleau par l'extérieur ou par l'intérieur, comme décrit dans le document brevet FR 2948058. Malgré ces systèmes de refroidissement, les rouleaux souples peuvent avoir tendance à se détériorer rapidement dans le cas de la mise en œuvre de résines thermoplastiques.
Le but de la présente invention est de proposer une solution visant à pallier les inconvénients précités, qui permet notamment la mise en œuvre d'une grande variété de résines, tant thermodurcissables que thermoplastiques, avec un compactage sensiblement uniforme de la bande appliquée, et qui soit simple de conception et de réalisation.
A cet effet, la présente invention propose une tête d'application de fibres pour la réalisation de pièces en matériau composite, comprenant un rouleau de compactage, appelé également rouleau d'application, pour l'application d'une bande formée d'une ou plusieurs fibres plate sur une surface d'application, et de préférence un système de guidage pour guider au moins une fibre vers ledit rouleau d'application, un système de chauffage apte à émettre un rayonnement thermique en direction de la bande, juste avant application par le rouleau d'application, ledit rouleau de compactage comprenant un tube central rigide par lequel ledit rouleau est monté rotatif sur une structure support de la tête, et au moins un cylindre réalisé en un matériau souple ou flexible, déformable élastiquement, assemblé coaxialement, directement ou indirectement, sur ledit tube central, caractérisée en ce que ledit rouleau de compactage comprend en outre une couche extérieure métallique.
Selon l'invention, le rouleau est équipé d'une couche extérieure métallique, flexible, de faible épaisseur, par exemple formée d'une feuille ou feuillard métallique, par laquelle ledit rouleau est destiné à venir en contact avec la surface d'application. Ladite couche métallique sert d'écran au rayonnement thermique émis par le système de chauffage, et permet d'éviter une surchauffe du rouleau de compactage. Ladite couche métallique est flexible, de sorte que le rouleau puisse se déformer pour permettre le drapage avec un effort de compactage. Après compactage, le cylindre en matériau souple reprend sa forme d'origine et sollicite la couche métallique vers sa forme cylindrique. Le cylindre en matériau souple ainsi protégé du rayonnement thermique, ne monte pas en température et se dégrade peu. Par ailleurs, la couche métallique de faible épaisseur, emmagasine peu de chaleur, et celle-ci se dissipe rapidement. L'utilisation d'une couche métallique selon l'invention permet d'obtenir un rouleau de compactage souple thermiquement stable utilisable pour l'application de fibres à des températures élevées, notamment supérieure à 400 °C, en particulier pour l'application de fibres imprégnées de résines thermoplastiques. La tête selon l'invention, qui comprend un rouleau de compactage simple de conception, offre la possibilité d'utiliser une grande variété de résines thermodurcissables ou thermoplastiques combinées à une grande variété de fibres, synthétiques ou naturelles, hybrides ou non, notamment des fibres couramment employées dans le domaine des composites, telles que les fibres de verre, les fibres de carbone, de quartz, et d'aramide.
Selon un mode de réalisation, ladite couche métallique est formée d'un feuillard ou feuille métallique, de préférence sous la forme d'une courroie dite sans soudure, de préférence ayant une épaisseur comprise entre 20 et 1000 micromètres, de préférence entre 20 et 500 micromètres, mieux encore entre 20 micromètres et 200 micromètres, et particulièrement de préférence entre 50 micromètres et 200 micromètres. Un tel feuillard revient élastiquement dans sa forme d'origine cylindrique sous l'effet du cylindre en matériau souple. De manière surprenante, il a été constaté que le rouleau selon l'invention pouvait non seulement être utilisé pour le drapage sur des surfaces sensiblement planes, avec une déformation dite bidimensionnelle de la couche métallique, mais également sur des surfaces de géométries complexes, avec une déformation dite tridimensionnelle de la couche métallique.
Selon un mode de réalisation, ladite couche métallique est formée d'un feuillard en acier, de préférence en acier inoxydable. Selon d'autres modes de réalisation, ledit feuillard est en aluminium, laiton, cuivre, ou bronze.
Le feuillard peut se présenter sous la forme d'une courroie métallique, dite sans soudure. Le feuillard sans soudure peut par exemple être obtenu par fluotournage ou par emboutissage profond. Selon une autre variante, le feuillard se présente sous la forme d'une courroie avec soudure, la soudure étant alors de préférence hélicoïdale, de sorte que la totalité de la soudure ne puisse être atteint en même temps par le rayonnement du système de chauffage. La soudure hélicoïdale peut présenter au moins une spire, ou moins d'une spire. Dans ce dernier cas, la soudure peut former un angle par rapport à l'axe de la courroie métallique allant jusqu'à 45°, par exemple de l'ordre de 30° .
Selon un mode de réalisation, ledit feuillard métallique présente sur sa face extérieure un traitement anti-adhérent et/ou un traitement réfléchissant, ledit feuillard étant par exemple muni d'un film antiadhérent et/ou réfléchissant.
Selon un mode de réalisation, ladite couche métallique est collée audit cylindre.
Selon d'autres modes de réalisation, ladite couche métallique est formée par dépôt de couche mince sur le cylindre, par exemple par dépôt plasma sous vide, notamment une couche mince d'or.
Selon un mode de réalisation, ledit rouleau de compactage comprend un cylindre en un matériau élastomère, de préférence non expansé, par exemple un silicone ou un polyuréthane, de préférence en silicone, présentant de préférence une dureté comprise entre 25 shore A et 95 shore A, de préférence entre 25 et 80 shore A, mieux encore entre 40 et 60 shore A.
Selon un mode de réalisation, le rouleau de compactage comprend un cylindre en mousse, par exemple un élastomère expansé tel qu'une mousse polyuréthane, présentant de préférence une densité comprise entre 200 kg/m3 et 500 kg/m3.
Selon un mode de réalisation, ledit rouleau de compactage comprend un premier cylindre assemblé sur le tube central et un second cylindre assemblé sur le premier cylindre, ladite couche métallique étant assemblée sur le second cylindre, le premier cylindre et le second cylindre étant formés à partir de matériaux souples, déformables élastiquement, différents, par exemple deux élastomères de duretés différentes, ou un élastomère et une mousse.
Selon un mode de réalisation, la tête comprend un système de refroidissement apte à refroidir le rouleau d'application par l'extérieur et/ou l'intérieur, de préférence au moins par l'extérieur, la tête comprenant éventuellement un système d'entraînement apte à entraîner en rotation le rouleau d'application, lorsque le rouleau n'est pas en contact avec la surface d'application. Selon un mode de réalisation, ledit rouleau est refroidi par l'extérieur par un flux gazeux orienté vers sa surface extérieure cylindrique lors des opérations d'application, pendant les trajectoires de dépose et les trajectoires de liaison, et ainsi que de préférence lorsque la tête est en position d'attente.
Selon un mode de réalisation, le rouleau de compactage comprend au moins un capteur de température monté sur la face interne de la couche métallique, en particulier la face interne d'un feuillard, de préférence plusieurs capteurs de température répartis à espace angulaire régulier et/ou à espace régulier sur la longueur du rouleau, les capteurs, notamment de type thermocouple, étant de préférence assemblés sur ladite face interne.
Selon un mode de réalisation, la tête constitue une tête de placement de fibres comprenant des moyens de coupe et des moyens de réacheminement, et éventuellement de moyens de blocage de fibres. Selon un mode de réalisation la tête est utilisée pour effectuer une application de type enroulement filamentaire.
Selon un mode de réalisation, ledit système de chauffage est un système de type laser, notamment des diodes laser, un laser YAG ou un laser à fibre. En variante, le système de chauffage peut comprendre une ou plusieurs lampes infrarouges.
La présente invention a également pour objet un procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite comprenant l'application de fibres continues sur une surface d'application, caractérisé en ce que l'application de fibres est réalisée au moyen d'une tête d'application de fibres telle que définie précédemment, par déplacement relatif de la tête d'application par rapport à la surface de drapage selon des trajectoires de dépose, les fibres étant compactées lors de leur application au moyen dudit rouleau d'application.
Les fibres classiquement utilisées sont des fibres plates continues, appelées également mèches, généralement unidirectionnelles, et comprenant une multitude de filaments. Les fibres déposées peuvent être des fibres sèches ou des fibres pré-imprégnées de résine thermodurcissable ou thermoplastique. Les fibres présentent typiquement des largeurs de 1/8, 1/4 ou 1/2 pouces. Dans la présente, le terme «fibres » désigne également des fibres de plus grande largeur, supérieure à 1/2 pouce, classiquement appelée bande dans la technologie du placement.
Le procédé selon l'invention est particulièrement avantageux dans le cas de la réalisation de préformes sèches réalisées à partir de fibres sèches munies d'un liant et/ou de préformes thermoplastiques réalisées à partir de fibres pré-imprégnées de résine thermoplastique, nécessitant des températures de chauffage importante lors du drapage pour au moins atteindre le point de fusion du liant et/ou des résines thermoplastiques.
Dans le cas d'une préforme sèche, le procédé comprend en outre une étape d'imprégnation de résine dans la préforme sèche, par ajout d'une ou plusieurs résines d'imprégnation par infusion ou injection à la préforme sèche, et une étape de durcissement pour obtenir une pièce en matériau composite. Dans le cas d'une préforme thermoplastique, la préforme peut éventuellement être soumise à une étape de consolidation supplémentaire pour obtenir une pièce finale en matériau composite.
Une consolidation in situ peut également être obtenue lors de l'application des fibres.
L'application de fibres peut être effectuée sur la surface d'application d'un outillage pour former une préforme, tel que décrit précédemment. Selon un autre mode de réalisation, l'application de fibres est réalisée directement sur la surface d'application d'une pièce préfabriquée, pour renforcer cette pièce avec des renforts de fibres unidirectionnelles, la pièce préfabriquée étant par exemple une pièce obtenue par injection, moulage ou fabrication additive, à partir d'une ou plusieurs résines thermoplastiques et/ou thermodurcissables. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui va suivre de modes de réalisation particuliers actuellement préférés de l'invention, en référence aux dessins schématiques annexés, sur lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique de côté d'une tête d'application de fibres selon l'invention, illustrant le rouleau de compactage et le système de chauffage ;
- la figure 2 est une vue schématique en coupe transversale du rouleau de compactage de la figure 1 ;
- les figures 3 et 4 sont des vues schématiques respectivement de côté et en coupe longitudinale du rouleau de compactage de la figure 1, illustrant l'écrasement du rouleau en cours de drapage ; et,
- la figure 5 est une vue schématique en coupe transversale d'un rouleau de compactage selon une variante de réalisation.
En référence à la figure 1 , la tête d'application 1 comporte un rouleau de compactage 2 qui est monté rotatif autour d'un axe A sur une structure support (non représentée) de la tête. La tête est prévue pour l'application d'une bande formée de plusieurs fibres disposées côte à côte. La tête est montée par ladite structure support à l'extrémité d'un système de déplacement, par exemple un poignet de robot. La tête comprend en outre un système de chauffage 9 monté également sur la structure support, en amont du rouleau par rapport à la direction d'avancement D de la tête d'application lors de l'application de la bande 8 de fibres sur une surface d'application S. Le dispositif de chauffage est par exemple un système de chauffage de type laser, dont le rayonnement est dirigé en direction de la bande, juste avant son compactage, ainsi que vers la ou les bandes déjà déposées. Tel qu'illustré à la figure 1 , le rayonnement est ainsi dirigé obliquement vers le rouleau pour chauffer une section de bande disposée sur le rouleau, avant son compactage par ce dernier.
Dans le cas d'une machine de placement de fibres, la tête comprend des moyens de guidage qui guident les fibres entrant dans la tête vers le rouleau de compactage 2 sous la forme d'une bande de fibres, les fibres de la bande étant disposées côte à côte de manière sensiblement jointives. Par déplacement de la tête par le robot, le rouleau de compactage est amené en contact avec la surface d'application d'un moule S pour appliquer la bande.
Les fibres sont de préférence des fibres continues plates, de type mèches, pré-imprégnées d'une résine thermodurcissable ou d'une résine thermoplastiques, ou des fibres sèches munies d'un liant. Le liant est sous forme de poudre et/ou d'un ou plusieurs voiles, de préférence de type thermoplastique.
En référence à la figure 2, le rouleau de compactage selon l'invention comprend un corps cylindrique ou cylindre 3 en un matériau souple, élastiquement déformable par compression. Le cylindre présente un passage central cylindrique pour son assemblage sur un noyau support formé d'un tube central 5 rigide cylindrique, par exemple métallique, tel qu'en aluminium. Le cylindre 3 et le tube central 5 sont coaxiaux et sont solidaires en rotation l'un de l'autre. Le cylindre est par exemple constitué d'un élastomère non expansé, tel qu'un silicone ou polysiloxane, ou un polyuréthane, de préférence un silicone, par exemple un silicone bi-composant polymérisable à température ambiante. Le cylindre présente une dureté comprise entre 30 shore A et 70 shore A, par exemple de 40, 50 ou 60 shore, qui sera choisie en fonction du taux d'écrasement souhaité du rouleau pour un effort de compactage donné, ce taux d'écrasement étant notamment défini en fonction de la complexité de la surface d'application. Selon l'invention, le cylindre 3 est revêtu extérieurement d'une couche extérieure métallique 6, formée d'un feuillard, également appelé également feuille ou clinquant, en acier inoxydable de faible épaisseur.
Le cylindre 3 en matériau souple confère au rouleau de compactage une capacité d'écrasement garantissant un compactage efficace des fibres lors du drapage. Le tube 5 rigide permet le montage rotatif du rouleau sur la structure support. Le rouleau de compactage est par exemple monté sur la structure support de la tête par les extrémités ouvertes de son tube central, par l'intermédiaire de paliers. Le feuillard 6 forme un écran au rayonnement émis par le système de chauffage de sorte que le cylindre en matériau souple ne soit pas atteint par ledit rayonnement. Le rayonnement est principalement absorbé par le feuillard métallique. Un traitement est éventuellement appliqué sur la face extérieure du feuillard pour lui conférer des propriétés réfléchissantes de sorte qu'une partie du rayonnement soit réfléchi.
Le drapage des fibres est réalisé avec un effort de compactage. Sous cet effort de compactage, le cylindre 3 et le feuillard 6 se déforment tel qu'illustré sur la figure 3. Lorsque l'effort de compactage cesse, le cylindre et le feuillard reprennent élastiquement leur forme cylindrique. Le feuillard assemblé au cylindre se déforme avec le cylindre sous l'effet de l'effort de compactage, et reprend sa forme cylindrique lorsque le cylindre revient élastiquement vers sa forme cylindrique. Tel qu'illustré à la figure 4, le cylindre muni de son feuillard permet au rouleau de compactage de s'adapter à des variations de courbure de la surface d'application dans la longueur du rouleau, et ainsi d'appliquer une pression sensiblement uniforme sur l'ensemble de la bande déposée. La faible épaisseur du feuillard, combiné à l'élasticité du cylindre, autorise une déformation uniforme, dite bidimensionnelle, du feuillard sur toute la longueur du rouleau, parallèlement à l'axe A, tel qu'illustré sur la figure 3, ainsi qu'une déformation, dite tridimensionnelle, du feuillard non parallèle à l'axe A, tel qu'illustré à la figure 4, dans la limite élastique du feuillard.
L'élastomère formant le cylindre comprend éventuellement des charges, par exemple métalliques, pour une meilleure dissipation de la chaleur.
Le feuillard est éventuellement muni sur sa face extérieure d'un film anti-adhérent, afin de limiter l'adhérence du rouleau aux fibres, ainsi que l'encrassement du rouleau.
A titre d'exemple, le feuillard a une épaisseur d'environ 0, 1 millimètre. Le feuillard se présente sous la forme d'une courroie métallique, dite sans soudure. En variante, le feuillard est formé d'une pièce rectangulaire assemblée par exemple par collage sur le cylindre, avec en extrémité un assemblage en recouvrement ou bord à bord. Le cylindre est formé à partir d'un silicone, dit haute température, et présente une dureté d'environ 40 shore A.
Selon un mode de réalisation, le rouleau est fabriqué de la manière suivante. Le tube est placé au centre de la cavité cylindrique d'un moule, et le feuillard est placé contre la paroi cylindrique de la cavité, la face interne du feuillard ayant été préalablement enduite d'un primaire d'adhérence, ou primaire d'accrochage, pour silicone. Ensuite une résine silicone et un catalyseur associé sont coulés dans le moule.
Le système de chauffage de type laser peut comprendre des diodes laser, disposées en une ou plusieurs rangées, émettant un rayonnement de longueur(s) d'onde comprise(s) entre 880 à 1030 nm par exemple, un laser à fibre optique ou un laser YAG, émettant à une longueur d'onde de l'ordre de 1060 nm.
La tête peut être équipée d'un système de refroidissement, par exemple tel que décrit dans la demande de brevet FR15/00676, déposée le 1er avril 2015 par la Demanderesse, apte à délivrer un flux d'air, en direction du rouleau de compactage, afin de refroidir ledit rouleau de compactage par l'extérieur.
Le rouleau comprend avantageusement des capteurs de température formés de thermocouples, assemblés sur la face interne du feuillard, par exemple par soudure. Les thermocouples sont répartis sur la surface cylindrique du feuillard. A titre d'exemple, la longueur du rouleau est prévue pour le drapage d'une bande de huit fibres, le rouleau comprend un ensemble de capteurs par fibre, par exemple au nombre de trois ou quatre, les capteurs d'un même ensemble sont disposés à espace angulaire réguliers les uns des autres, et les ensembles sont décalés les uns des autres dans la longueur du rouleau, d'une distance correspondant à une largeur de fibre. Ces capteurs mesurent la température du feuillard en différents points, cette température étant proportionnelle à la température de chauffe des fibres lors des opérations de drapage. Les informations de température de ces capteurs sont récupérées par l'unité de commande de la machine pour piloter le système de chauffe, afin d'optimiser les paramètres de chauffe des fibres lors du drapage, et/ou pour piloter le système de refroidissement afin d'optimiser le refroidissement du rouleau. Les fils des thermocouples s'étendent radialement vers le tube central, passent par des ouvertures de ce tube central et sortent en extrémité du tube central pour leur connexion l'unité de commande. Selon une variante, le rouleau comprend un seul ensemble de capteurs répartis à espace angulaire régulier, ledit ensemble étant disposé au centre du rouleau.
La figure 5 illustre une variante de réalisation dans laquelle le rouleau de compactage 102 comprend un tube central 5 rigide cylindrique, un premier cylindre 104 en un premier matériau souple, assemblé sur le tube central, un second cylindre 103 en un second matériau souple, assemblé sur le premier cylindre, et un feuillard 6 assemblé sur le second cylindre, ces différents composants du rouleau étant coaxiaux et solidaires en rotation l'un de l'autre.
Le premier cylindre est par exemple en un premier matériau présentant une dureté supérieure à celle du second matériau formant le second cylindre. Dans ce mode de réalisation, la déformation du rouleau sous l'effort de compactage provient par exemple principalement de l'écrasement du second matériau. Les duretés du premier matériau et du second matériau, ainsi que les épaisseurs du premier cylindre et second cylindre seront définies en fonction du taux d'écrasement souhaité.
Selon un autre mode de réalisation, le second matériau a une dureté supérieure à celle du premier matériau, la déformation du rouleau sous l'effort de compactage provient alors principalement de l'écrasement du premier matériau, le second cylindre en matériau plus dur, qui est en contact avec le feuillard, permet alors de limiter la déformation du feuillard et ainsi de limiter les risques de marquage ou déformation irréversible du feuillard. Les deux cylindres sont par exemple formés de silicone de duretés différentes, par exemple un premier cylindre d'une dureté de 40 shore A et un second cylindre d'une dureté de 60 shore A. Selon un autre mode de réalisation, le premier cylindre est formé d'une mousse polyuréthane présentant une densité d'environ 350kg/m3, et le second cylindre est formé d'un silicone et présente une dureté comprise entre 35 et 40 shore A.
Comme précédemment, le rouleau peut être obtenu en versant le silicone dans un moule dans lequel sont placés le tube central et le feuillard, mais en assemblant au préalable audit tube central un cylindre en mousse. Le cylindre en mousse est par exemple formé en enroulant autour du cylindre de la mousse se présentant sous forme d'une plaque.
Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec différents modes de réalisation particuliers, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Tête d'application de fibres pour la réalisation de pièces en matériau composite, comprenant
- un rouleau de compactage (2, 102) pour l'application d'une bande formée d'une ou plusieurs fibres plate sur une surface (S) d'application, et
- un système de chauffage (9) apte à émettre un rayonnement thermique en direction de la bande, juste avant application par le rouleau d'application,
ledit rouleau de compactage comprenant un tube central (5) par lequel ledit rouleau est monté rotatif sur une structure support de la tête, et au moins un cylindre (3 ; 103, 104) réalisé en un matériau souple, déformable élastiquement, assemblé sur ledit tube central,
caractérisée en ce que ledit rouleau de compactage comprend en outre une couche extérieure (6) métallique formée d'un feuillard métallique.
2. Tête selon la revendication 1 , caractérisée en ce que ledit feuillard métallique a une épaisseur comprise entre 0,02 millimètre et 1 millimètre.
3. Tête selon la revendication 2, caractérisée en ce que ledit feuillard métallique a une épaisseur comprise entre 0,02 et 0,5 millimètre, de préférence entre 0,02 et 0,2 millimètre, et mieux encore entre 0,050 et 0,2 millimètre.
4. Tête selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que ladite couche métallique (6) est formée d'un feuillard en acier.
5. Tête selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que ledit feuillard métallique (6) présente sur sa face extérieure un traitement anti-adhérent et/ou un traitement réfléchissant.
6. Tête selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que ladite couche métallique (6) est collée audit cylindre (3, 103).
7. Tête selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que ledit rouleau de compactage (2, 102) comprend un cylindre (3, 103) en un matériau élastomère, présentant une dureté comprise entre 25 shore A et 95 shore A.
8. Tête selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le rouleau de compactage (102) comprend un cylindre (104) en mousse, présentant une densité comprise entre 200 kg/m3 et 500 kg/m3.
9. Tête selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que ledit rouleau de compactage (102) comprend un premier cylindre (104) assemblé sur le tube central (5) et un second cylindre (103) assemblé sur le premier cylindre, ladite couche métallique (6) étant assemblée sur le second cylindre, le premier cylindre et le second cylindre étant formés à partir de matériaux souples différents.
10. Tête selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'elle comprend un système de refroidissement apte à refroidir le rouleau d'application par l'extérieur et/ou l'intérieur.
11. Tête selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que le rouleau de compactage comprend au moins un capteur de température monté sur la face interne de la couche métallique.
12. Procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite comprenant l'application de fibres continues sur une surface d'application (S), caractérisé en ce que l'application de fibres est réalisée au moyen d'une tête d'application de fibres selon l'une des revendications 1 à 11 , par déplacement relatif de la tête d'application (1) par rapport à la surface de drapage (S) selon des trajectoires de dépose.
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