EP4100240A1 - Tête d'application de fibres avec bobines embarquées - Google Patents

Tête d'application de fibres avec bobines embarquées

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Publication number
EP4100240A1
EP4100240A1 EP21710536.0A EP21710536A EP4100240A1 EP 4100240 A1 EP4100240 A1 EP 4100240A1 EP 21710536 A EP21710536 A EP 21710536A EP 4100240 A1 EP4100240 A1 EP 4100240A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
plane
fibers
roller
head
compaction
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Withdrawn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
EP21710536.0A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Yvan Hardy
Loïc GAILLARD
Johan BERLAUD
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 EP4100240A1 publication Critical patent/EP4100240A1/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Withdrawn legal-status Critical Current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
    • 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]
    • 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
    • B29C70/54—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations, e.g. feeding or storage of prepregs or SMC after impregnation or during ageing
    • B29C70/56—Tensioning reinforcements before or during shaping

Definitions

  • the present invention relates to a fiber application head for making parts of composite material, and more particularly to a fiber application head in which spools of fibers are embedded on the head.
  • the present invention also relates to a method of manufacturing a part made of composite material by means of such an application head.
  • fiber application heads of this type conventionally called fiber placement head, comprising a support structure having a rear face and a front face, a compacting system comprising at least one compaction roller mounted on the front face of the support structure rotatably about an axis of rotation, fiber spool support means mounted on the front face, and return systems for directing the fibers from them coils to said compaction roller.
  • the reel support means comprise a mandrel.
  • the mandrels are evenly distributed around the compaction roll, circumferentially, the axes of the mandrels are arranged parallel to a main plane perpendicular to the axis of rotation of the roll.
  • the fibers unwound from the spools are directed radially towards the center and returned to the compaction roller by deflection pulleys arranged around the compaction roller.
  • the application head is detachably mounted to a movement system, for example on the wrist of a gantry-type system or a polyarticulated robot-type system.
  • Such application heads make it possible to apply to a draping tool, by means of the compacting roller, one or more continuous flat fibers, of the ribbon type, dry or impregnated with thermosetting or thermoplastic resin, in particular carbon fibers, made up of a multitude of carbon threads or filaments. After application of several layers of superimposed fibers, the resulting part is subjected to a curing operation, called polymerization, in the case of thermosetting resins, and called consolidation resins in the case of thermoplastic resins.
  • This type of head with on-board reels makes it possible to perform reel changes in masked time, the coils of a first head placed on a bench can be replaced by an operator while the layup is carried out with a second head mounted on the system of displacement.
  • the presence of the coils on the front face, around the compaction roller, allows easy replacement by an operator of all the coils.
  • TCP Tool Center Point
  • Heads with on-board coils have also been proposed, in particular in patent document US 8,997,818 and WO2019 / 076498, in which the axes of the mandrels are arranged parallel to the compacting roller, the mandrels being arranged on the side faces of a support structure. , the compaction roller being arranged in the lower part of the support structure.
  • this configuration the replacement of the coils is less easy, as the operator has to turn around the head to replace all the coils.
  • this type of head has a large TCP distance, in particular when the head comprises a large number of coils.
  • the aim of the present invention is to provide a head of the on-board coil type aimed at overcoming the aforementioned drawbacks.
  • the present invention provides a fiber application head for producing parts in composite material, comprising a support structure having two opposite main faces, including a rear face and a front face, a compaction system comprising at least one compacting roller mounted on the front face so as to rotate about an axis of rotation, fiber spool support means mounted on the front face, and return systems for directing the fibers from the spools towards said spools compacting roller, characterized in that
  • the support means are positioned in two lateral zones of the front face, arranged on either side of a central zone which is centered in a first main plane perpendicular to the axis of rotation of the compacting roller and in which is arranged said compacting roller, said central zone extending from a downstream edge to an upstream edge of the support structure,
  • the return systems comprise first return means, for example formed of first return pulleys, mounted on the front face, in the central zone, and able to redirect the fibers coming from the lateral zones towards the compacting roller in a direction substantially parallel to the foreground.
  • the compaction system is mounted in a central zone of the front face, the coils are arranged on the front face, on either side of this central zone, the portion of the central zone upstream and / or downstream of the compaction roller relative to the direction of advance of the head during layup is used to convey the fibers to the application roller.
  • the first return means for example formed of a first return pulley or of a first return roller for each fiber, are preferably arranged near the upstream edge and / or the downstream edge, and are able to redirect all the fibers coming from the side areas towards the compaction roller in a direction substantially parallel to the foreground.
  • substantially parallel is understood to mean an angle between said direction of the fibers and said first plane of between -10 ° and 10 °, preferably between -5 ° and 5 °, better still between -2.5 ° and 2.5 °. °.
  • the head comprises at least one functional module carrying said compaction roller and comprising guide means
  • said guide means comprise a first row of first pulleys capable of guiding first fibers in the direction of the compaction roller in a first plane guide forming a first non-zero angle with the compaction plane passing through the axis of the compaction roller and perpendicular to the first plane, and a second row of second pulleys able to guide second fibers in the direction of the compaction roller according to a second guide plane forming a second non-zero angle with the compaction plane
  • the first means of return for example formed of first return pulleys, being able to redirect all the fibers coming from the lateral zones towards said first row of first pulleys and said second row of second pulleys, in a direction substantially parallel to the first plane.
  • This specific head architecture with such positioning of the coils makes it possible to have a large number of coils on board the head with a small footprint and a reasonable TCP distance, while having easy access to the coils for their replacement and / or for positioning. manually the fiber from its spool to the roll.
  • the support means are arranged in the two lateral zones, symmetrically on either side of the foreground, and / or the support means are arranged on each side of the foreground according to at least one row of support means, and / or
  • assembly means able to cooperate with complementary assembly means of a displacement system for assembling the head to the displacement system along an assembly axis, which is preferably perpendicular to the axis of rotation of the compacting roller and / or which is arranged in the first main plane.
  • the first return means are mounted in the upstream portion of the central zone arranged upstream of the compacting system with respect to the direction of advance of the head during layup, all the fibers coming from the coils thus being brought back to the same side of the head, at the level of the upstream edge.
  • This arrangement facilitates the passage of the fibers by an operator to the compacting roller, and makes it possible to keep free, on the one hand, the downstream portion of the central zone, for example for the assembly of devices, such as a device.
  • the head comprises at least one functional module carrying said compacting roller, and comprising guide means capable of guiding first fibers in the direction of the compacting roller according to a first guide plane forming a first non-zero angle. with the compaction plane passing through the axis of the compaction roller and perpendicular to the first plane, and guiding second fibers in the direction of the compaction roller according to a second guide plane forming a second non-zero angle with the compaction plane, said second angle being less than the first angle, said guide planes being arranged on the same side of the compaction plane, upstream of said compaction plane relative to the direction of advance of the head during layup.
  • This head configuration with the two guide planes arranged on the same side with respect to the compaction plane, makes it possible to have both the first fibers and the second fibers angles of arrival of fibers on the roller with respect to the draping surface which remain low, ensuring good rerouting of the fibers after cutting operations and good heating of the first and second fibers, and therefore good draping quality at high speeds.
  • this head configuration combined with first return means mounted in the upstream portion of the central zone makes it possible to obtain a head with very simple fiber paths to the roller.
  • the head comprises a functional module, comprising the compacting system, fiber cutting means, fiber rerouting means and fiber blocking means, said functional module preferably being mounted to move in translation. on the support structure in a direction parallel to the foreground and connected to the support structure by one or more compacting jacks.
  • the support means comprise a mandrel mounted cantilever on the support structure, projecting from the front face.
  • the mandrels are arranged symmetrically on either side of the first plane in the two lateral zones of the front face, preferably in at least one row in each lateral zone.
  • the head in each lateral zone, comprises a first row of first mandrels arranged along the first plane, and a second row of second mandrels arranged along the first row, on the side of the first row which is opposite the foreground, along the side edge.
  • the head comprises mandrels whose assembly points are arranged in a first mandrel plane which is parallel to the axis of rotation of the roller and arranged at a first distance from said axis of rotation, and mandrels the assembly points of which are arranged in a second mandrel plane which is parallel to the axis of rotation and arranged at a second distance from said axis of rotation, said second distance being greater than the first distance, the point of assembly d 'a mandrel being defined by the intersection between the axis of the mandrel and the assembly plane of said mandrel on the support structure.
  • This arrangement of the mandrels at different levels makes it possible to provide a compact head allowing layup on surfaces with a small radius of curvature and also makes it possible to free up space in the support structure, between the front face and the rear face, for positioning different components.
  • the assembly points of the first mandrels are arranged in the first mandrel plane and the assembly points of the second mandrels are arranged. according to the second chuck plane.
  • the axes of the mandrels are inclined outwardly relative to the foreground. This inclination of the axes further limits the size of the head while ensuring operator access to place the coils.
  • the present invention also relates to a method of manufacturing a part made of composite material comprising the application of continuous fibers to an application surface, characterized in that G application of fibers is carried out by means of a fiber application head as defined above, by relative displacement of the application head with respect to the lay-up surface along laying paths.
  • FIG. 1 is a perspective view of a fiber application head according to the invention.
  • FIG. 1 is a side view of the head of Figure 1;
  • FIG. 3 is a front view of the head of Figure 1;
  • Figure 4 is a partial sectional view along the sectional plane IV-IV of Figure 2.
  • Figures 1 to 4 illustrate a fiber application head according to the invention, here allowing sixteen spools of fibers to be loaded, to drape in contact with a single compacting roller a strip of 16 fibers.
  • the head comprises a support structure 10, generally parallelepiped, having a main front face 11, a main rear face 12, and four side faces, called downstream edge 13, upstream edge 14, and side edges 15, q defined with respect to the direction d advancement S of the head during layup.
  • the support structure has a main central axis A1, a first main plane PI and a second main plane P2, arranged perpendicular to each other, the intersection of which corresponds to said central axis.
  • the side edges 15 are arranged symmetrically on either side of the first plane PI, and the downstream and upstream edges 13, 14 are arranged symmetrically on either side of the second plane P2.
  • the support structure comprises rigid structural elements (not shown), for example metal, covered by various cover plates shown in the figures.
  • the downstream and upstream edges 13, 14 are substantially planar, arranged parallel to the second plane P2, and each side edge 15 has a planar central portion 151, parallel to the first plane PI, extending to the upstream edge and to the downstream edge by curved portions 152a 152b, parallel to the axis A1.
  • the head has on its rear face 12 assembly means (not shown) allowing the assembly of the head to a displacement system along an assembly axis which is preferably coincident with the central axis Al.
  • the head can for example be assembled to the wrist of a gantry-type displacement system, allowing a translational displacement in three directions perpendicular to each other, the wrist allowing a rotational displacement around three axes, one of which coincides with the axis Al.
  • the displacement system is a 6-axis poly-articulated robot, the axis 6 of the robot coinciding with the axis Al.
  • the head is equipped on its front face with a compaction system comprising here a single compaction roller 21.
  • the compaction roller is mounted movable in rotation about an axis A2, on a functional module 2, said functional module being mounted. on the support structure movable in translation in a direction DI parallel to the axis A, so that the axis A2 of rotation of the roller is movable in a compaction plane Pc which is parallel to the axis A and perpendicular to the first plane PI, said plane PI passing through the middle of the compacting roller.
  • the functional module is assembled with at least one compaction cylinder.
  • Said functional module is for example mounted movable in translation between two rails 23 assembled on the support structure and is assembled in the upper part to the ends of the rods of two compacting jacks, the two jacks being assembled by their body to the support structure.
  • the axis A2 is arranged in the second plane P2, the compaction plane Pc coincides with this second plane P2, the axis A1 passing through the middle of the roller, and therefore through the point TCP of the head.
  • the functional module comprises a guiding system 22 making it possible to guide the first fibers F1 in the direction of the compaction roller 21 along a first guide plane P3 forming a first non-zero angle ⁇ with the compaction plane Pc , and to guide second fibers F2 in the direction of the compaction roller along a second guide plane P4 forming a second non-zero angle a2 with the compaction plane, said second angle being less than the first angle ai.
  • Said guide planes P3, P4 are arranged on the same side of the compaction plane, upstream of said compaction plane with respect to the direction of advance S of the head during layup.
  • the guide system is disposed on the side of the upstream edge 14 of the support structure relative to the roller, and comprises first channels and second channels in which pass respectively the first fibers Fl and the second fibers F2 to bring them tangentially to the roller d 'application.
  • the first and second channels are staggered along the two guide planes P3, P4, so that the first fibers and the second fibers are arranged alternately at the level of the application roller, preferably substantially edge to edge.
  • the guide system 22 further comprises a first row of first pulleys 221 over which pass first fibers F1 to be guided along the first plane P3 in the first channels and a second row of second pulleys 222 over which pass second fibers to be guided. guided along the second plane P4 in the second channels.
  • first pulleys and second pulleys shown schematically in the figures, are preferably mounted on the functional module, in a rotary manner about axes parallel to the axis A2 of the roller.
  • the functional module is here provided to allow the draping of a strip of sixteen fibers and therefore comprises eight first pulleys to orient a first ply of eight first fibers in eight first channels according to the plane P3 and eight second pulleys to orient a second ply of eight second fibers in eight second channels.
  • the functional module further comprises cutting means for individually cutting each fiber upstream of the roll, re-routing means, arranged upstream of the cutting means with respect to the direction of advancement of the fiber, to re-route each fiber to the compacting roller after a cutting operation, and blocking means for blocking the fiber which has just been cut, such means being known per se.
  • the cutting means comprise for each fiber at least one blade capable of being maneuvered by a cutting cylinder between a rest position and an active position for cutting a fiber.
  • the locking means comprise, for example, a locking stud capable of being operated by a locking cylinder between a rest position and an active position for locking the fiber.
  • the functional module comprises cutting means and locking means, as described in patent document EP2134532, WO20 17/072421 or FRI 7/01245 and FRI 7/01247.
  • Fes rerouting means comprise for each fiber against a roller actuated by a re-routing cylinder between a rest position and an active position. In the active position, the counter-roller is able to press the fiber against a motorized drive roller for the re-routing of the latter, the functional module comprising a common drive roller for the counter-rollers of the first fibers and a roller of common drive for the counter-rollers of the second fibers.
  • the head carries on its front face 11 support means 4 for coils arranged symmetrically on either side of a central zone 51 which extends from the downstream edge 13 to the upstream edge 14, and the width of which corresponds substantially to the width. of the functional module 2.
  • Each coil of fiber is obtained by a winding or trancanning operation consisting in regularly winding the fiber turn by turn and layer by layer over the entire length of a coil.
  • the support means comprise a support module 4 comprising a mandrel 41 of axis of rotation A3, for receiving a reel of fiber B, and a control system. tension of the fiber acting on the rotation of the mandrel as a function of the tension in the unwound fiber.
  • Fe mandrel 41 is mounted in a cantilever manner on the front face, and is connected to the end of the drive shaft of a motor for driving it in rotation about its axis A3.
  • Fe motor is arranged in the interior volume of the support structure defined between the faces 13-15.
  • the mandrel is equipped with locking means, for example of the pneumatic type, for locking the coil in position on the mandrel.
  • the tension control system comprises an unwinding roll 42, and an oscillating roller 43 mounted at the end of a oscillating arm 44, the rotation of the mandrel being controlled according to the position of the oscillating roller.
  • the fiber unwound from the spool passes over the unwinding roll 41, then onto the oscillating roller 43.
  • the unwinding roller is mounted on the front face, rotatably about an axis parallel to the axis A3.
  • the oscillating arm 44 is mounted to rotate freely by a first end around the axis A3 of the mandrel, and carries at its second end the oscillating roller 43, said oscillating roller being mounted to be movable in rotation about an axis which is parallel to axis A3.
  • the swing arm is equipped with a position sensor, to detect the angular position of the arm, which is connected to a control unit of the fiber placement machine which, depending on the position signal, dynamically drives the motor to make vary the speed of rotation of the first mandrel.
  • the head comprises sixteen support modules arranged symmetrically on either side of the foreground in the two side zones 52 of the front face.
  • the support modules are arranged in two rows of four support modules.
  • a first row of four first support modules comprising first mandrels is disposed along the first plane PI
  • a second row of four second support modules comprising second mandrels is disposed along the first row, on the side of the first row which is opposite the foreground PI, along the side edge 15.
  • the intersection between the axis A3 of a mandrel 41 and the assembly plane of said mandrel on the support structure defines the assembly point of a mandrel.
  • the first support modules are mounted on the support structure so that the assembly points 45 of the first mandrels are disposed in a first mandrel plane P5, parallel to the axis A2 of the roller and disposed at a first distance d1 from said axis A2.
  • the second support modules are mounted on the support structure so that the assembly points 46 of the first mandrels are arranged in a second mandrel plane P6, parallel to the axis A2 of rotation and disposed at a second distance d2 from the axis of rotation, which is greater than the first distance dl.
  • each support module comprises an assembly plate, formed of a flat plate, on which the mandrel 41 is mounted, so that the axis A3 of the mandrel is arranged perpendicular to the plate.
  • the platen also carries the unwinding roller. The plates are assembled on the support structure and define the aforementioned assembly planes of the mandrels.
  • the plates of the first support modules are mounted on the support structure at a distance d1 from the axis A2 while the plates of the second support modules are arranged at a distance d2.
  • the plates of the first and second supporting modules are arranged in parallel with one another and are inclined relative to the first plane PI so that the axes A3 mandrels make a angleX 3.
  • the angles o 3 ⁇ 4 first and second mandrels are here identical.
  • the angles 01 3 of the axes of the first mandrels are different from those of the second mandrels.
  • the head comprises a return system making it possible to direct the fibers unwound from the support modules towards the upstream edge 14 of the head then towards the functional module, more particularly towards the first and second pulleys 221, 222 of the functional module.
  • the fibers unwound from the first support modules will constitute the first fibers F1 of the first sheet, while the fibers unwound from the second support modules will constitute the second fibers F2 of the second sheet.
  • the return system For each first row of first support modules, the return system comprises a first set of first pulleys 71 disposed in the upstream portion 511 of the central zone 51, and a second set of second pulleys 72 disposed in the lateral zone 72 near the upstream edge 14.
  • These first pulleys and second pulleys illustrated schematically in the figures, are mounted on the support structure in a rotary manner about axes of rotation parallel to the axes A3 of the mandrels.
  • Each fiber coming from an oscillating roller of a first module passes over a second pulley 72, then over a first pulley 71.
  • the fiber paths are shown only from the oscillating rollers to the functional module 2.
  • the fiber path of a first fiber is as follows: the fiber unwound from its spool passes over the unwinding roll, the oscillating roll, extends substantially parallel to the first plane PI until it passes over a second pulley 72, s 'extends along the upstream edge 14 until it passes over a first pulley 71, then extends substantially parallel to the first plane PI as far as the first pulley 221 of the functional module.
  • the support modules of the first row are arranged in a line, passing through the axes of the mandrels, which is slightly inclined with respect to the first plane PI, plus the support module is away from the upstream edge 14, the further said module is away from said first plane.
  • the oscillating rollers are thus offset from each other with respect to the first plane and the axes of the second pulleys 72 are correspondingly offset, so that the first fibers F1 follow parallel paths without coming into contact with each other.
  • the return system comprises a first set of first pulleys 73 disposed in the upstream portion 511 of the central zone, a second set of second pulleys 74 disposed in the lateral zone near the lateral edge 15 , at the junction between its flat portion 151 and its curved portion 152a, and a third set of third pulleys 75 disposed near the side edge 15, near the junction of its curved portion 152a with the upstream edge 14.
  • These pulleys 73-75 illustrated schematically in the figures, are mounted on the support structure in a rotary manner about axes of rotation parallel to the axes A3 of the mandrels.
  • the three support modules of the second row closest to the upstream edge are arranged along a line which is slightly inclined with respect to the first plane, the further the support module is from the upstream edge, the further said module is from the first plane.
  • the fourth support module disposed closest to the downstream edge 13 is slightly offset inwardly with respect to the other three support modules, the return system comprising, for the fiber coming from this module, a return roller 76 of which the axis of rotation is parallel to the axes of the mandrels and disposed near the junction between the flat portion 151 and the curved portion 152b of the edge lateral.
  • the oscillating rollers are thus offset from each other with respect to the foreground.
  • the axes of the second pulleys 74 are correspondingly offset so that the second fibers F2 follow parallel paths without coming into contact with each other.
  • the fiber path of a second fiber F2 is as follows: the fiber unwound from its spool passes over the unwinding roll, the oscillating roll, extends substantially parallel to the foreground near the flat portion 151 of the lateral edge, until passing over a second pulley 74.
  • the fiber passes over the return roller 76 before passing over a second pulley 74.
  • each second fiber s 'extends along the curved portion 152a until it passes over a third pulley 75, then along the upstream edge until it passes over a first pulley 73, then extends substantially parallel to the first plane to a second pulley 222 of the functional module.
  • the positioning of the first support modules and of the second support modules on two different levels, at distances d1, d2 different from the axis A2 of the roller, makes it possible to have two different median planes for the paths fibers of the first fibers and of the second fibers, which allows a better distribution of the return systems on the head and thus facilitates the passage of the fibers by an operator on the various return pulleys.
  • the oscillating roller is disposed on the side of the mandrel which is opposite to the first plane PI, the first fibers are brought back towards the upstream edge passing between the first and second modules, and the second fibers pass from the outer side of the second support modules.
  • This arrangement provides a compact head while allowing an operator to pass a fiber from the spool to the functional module relatively easily.
  • the oscillating rollers are arranged so that the first fibers pass between the first modules and the first plane, and the second fibers pass between the first support modules and the second support modules.
  • Each support module can further include a sensor making it possible to detect the diameter of the reel which varies during draping.
  • the sensor for example an ultrasonic sensor, is connected to G control unit which controls the motor to define the speed of rotation of the coil as a function of its diameter.
  • Support modules with motorized chucks can be loaded with large spools of fibers, for example of the order of 15kg.
  • the fibers are carbon fibers, glass fibers, aramid fibers, polyethylene fibers, and / or fibers for example natural, such as for example flax fibers.
  • the fibers can be fibers pre-impregnated with a thermoplastic or thermosetting resin, dry fibers, and / or dry fibers provided with a binder, to impart a tackiness to the fibers during draping.
  • the fibers are 1/8, 1/4 or 1/2 inch wide.
  • each first mandrel is mounted to rotate freely on the support wall and is for example equipped with a system automatic braking system dependent on the fiber tension.
  • the braking system is controlled as a function of the position of the oscillating arm, the control being for example of the mechanical, pneumatic or electrical type.
  • the fiber can be wound onto the spool with a protective film on one side, so that the turns of fiber wound onto the spool are separated from each other.
  • This protective film also called an interlayer or separator film, prevents the fiber turns from sticking to each other and guarantees correct unwinding of the fiber, in particular in the case of pre-impregnated fibers.
  • Each support module can then further comprise an additional mandrel on which is placed a reel or roll in order to rewind the protective film as the fiber is unwound.
  • the head may include a heating system, the radiation of which is directed obliquely towards the pinching zone or contact zone between the compacting roller and the application surface, to heat the fibers to be draped, before their compacting by the latter, thus that the application surface and / or one or more fibers previously applied upstream of the roll.
  • the heating system preferably mounted on the functional module upstream of the roller relative to the direction of advance of the head, comprises one or more flash lamps, as described in patent document WO2014 / 029969 or WO2017 / 134453, one or more infrared lamps , or a laser type heating system.
  • the compaction roller is for example a flexible roller, made of a so-called flexible material, elastically deformable, for example of elastomeric material, so as to be able to be deformed by matching the profile of the layup surface.
  • the roller is a segmented rigid roller, for example metallic, comprising several independent roller segments mounted side by side on the same axial rod, each segment being movable on said axial rod, perpendicular to the latter, by independently, and being resiliently biased against the application surface by resilient means, such as expandable bag systems.
  • the downstream portion 512 of the central area can be used for the positioning of various devices, in particular for the positioning of an in-line inspection device.
  • the fiber application head makes it possible to embed only eight spools of fibers, the support structure then being dimensioned to carry on its front face only the first support modules described above, arranged in two rows of four modules. support, on either side and along the foreground.
  • the fibers are brought back from said modules by return pulleys towards the upstream edge of the support structure and towards a functional module, provided here to apply eight fibers.
  • the mandrels of the two support modules at the center of the row have assembly points arranged along the aforementioned plane P5 at a distance dl from the axis of the roll, and the mandrels of the two support modules at the ends.
  • the fibers coming from the four support modules in the center of the two rows constitute the first fibers of the first sheet, while the fibers originating from the four support modules at the ends of the rows constitute the second fibers of the second ply.

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Abstract

La présente invention concerne une tête d'application de fibres comprenant une structure support (10) présentant une face arrière (12) et une face avant (11) sur laquelle sont montés un rouleau de compactage (21), des moyens support (4) de bobines, et des systèmes de renvoi (71- 76). Les moyens support sont positionnés dans deux zones latérales (52) de la face avant, disposées de part et d'autre d'une zone centrale (51) qui est centrée selon un premier plan (P1) principal perpendiculaire à l'axe (A2) de rotation du rouleau et dans laquelle est disposé ledit rouleau de compactage. Les systèmes de renvoi comprennent des premiers moyens de renvoi (71, 73) montés sur la face avant, dans la zone centrale, et aptes à rediriger les fibres (F1, F2) provenant des zones latérales (52) vers le rouleau de compactage dans une direction sensiblement parallèle au premier plan (P1).

Description

TÊTE D’APPLICATION DE FIBRES AVEC BOBINES
EMBARQUÉES
La présente invention concerne une tête d’application de fibres pour la réalisation de pièces en matériau composite, et plus particulièrement une tête d’application de fibres dans laquelle des bobines de fibres sont embarquées sur la tête. La présente invention concerne également un procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite au moyen d’une telle tête d’application.
Il est connu notamment dans les documents brevet US 8,012,291 et US 7,785,433 des têtes d’application de fibres de ce type, appelées classiquement tête de placement de fibres, comprenant une structure support présentant une face arrière et une face avant, un système de compactage comprenant au moins un rouleau de compactage monté sur la face avant de la structure support de manière rotative autour d’un axe de rotation, des moyens support de bobine de fibres montés sur la face avant, et des systèmes de renvoi pour diriger les fibres depuis les bobines vers ledit rouleau de compactage. Pour chaque bobine, les moyens support de bobines comprennent un mandrin. Les mandrins sont régulièrement répartis autour du rouleau de compactage, de manière circonférentielle, les axes des mandrins sont disposés parallèlement à un plan principal perpendiculaire à l’axe de rotation du rouleau. Les fibres déroulées depuis les bobines sont dirigées radialement vers le centre et ramenées vers le rouleau de compactage par des poulies de renvoi disposées autour du rouleau de compactage. La tête d’application est montée de manière détachable à un système de déplacement, par exemple au poignet d’un système de type portique ou un système de type robot polyarticulé.
De telle têtes d’application permettent d’appliquer sur un outillage de drapage, au moyen du rouleau de compactage, une ou 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. Après application de plusieurs plis de fibres superposés, la pièce résultante est soumise à une opération de durcissement, dite de polymérisation, dans le cas de résines thermodurcissables, et dite de consolidation dans le cas de résines thermoplastiques.
Ce type de tête avec bobines embarquées permet d’effectuer les changements de bobines en temps masqué, les bobines d’une première tête posée sur un banc pouvant être remplacées par un opérateur pendant que le drapage est effectué avec une deuxième tête montée sur le système de déplacement. La présence des bobines en face avant, autour du rouleau de compactage, permet un remplacement aisé par un opérateur de l’ensemble des bobines.
Pour une bonne précision de drapage, il est préférable de limiter la distance entre le poignet du système de déplacement, et le point central de l’outil (en anglais « Tool Center Point » ou TCP) qui correspond au milieu de la ligne d’intersection ou ligne de contact théorique entre la surface du rouleau de compactage et la surface de drapage, ladite distance étant appelée communément distance TCP. Une telle tête avec bobines embarquées présente toutefois un encombrement important, et il est nécessaire d’augmenter considérablement la distance TCP pour éviter des collisions dans le cas de drapage en moule femelle de pièces présentant de faibles rayons de courbure.
Il a également été proposé des têtes avec bobines embarquées, notamment dans le document brevet US 8,997,818 et WO2019/076498, dans lesquelles les axes des mandrins sont disposés parallèlement au rouleau de compactage, les mandrins étant disposés sur les faces latérales d’une structure support, le rouleau de compactage étant disposé en partie inférieure de la structure support. Dans cette configuration, le remplacement des bobines s’effectue de manière moins aisée, dans la mesure où l’opérateur doit tourner autour de la tête pour remplacer toutes les bobines. Par ailleurs, ce type de tête présente une distance TCP importante, notamment lorsque la tête comprend un nombre important de bobines.
Le but de la présente invention est de proposer une tête de type bobines embarquée visant à pallier les inconvénients précités.
A cet effet, la présente invention propose une tête d’application de fibres pour la réalisation de pièces en matériau composite, comprenant une structure support présentant deux faces principales opposées, dont une face arrière et une face avant, un système de compactage comprenant au moins un rouleau de compactage monté sur la face avant de manière rotative autour d’un axe de rotation, des moyens support de bobines de fibre montés sur la face avant, et des systèmes de renvoi pour diriger les fibres depuis les bobines vers ledit rouleau de compactage, caractérisée en ce que
- les moyens support sont positionnés dans deux zones latérales de la face avant, disposées de part et d’autre d’une zone centrale qui est centrée selon un premier plan principal perpendiculaire à l’axe de rotation du rouleau de compactage et dans laquelle est disposé ledit rouleau de compactage, ladite zone centrale s’étendant d’un bord aval à un bord amont de la structure support,
- les systèmes de renvoi comprennent des premiers moyens de renvoi, par exemple formés de premières poulies de renvoi, montés sur la face avant, dans la zone centrale, et aptes à rediriger les fibres provenant des zones latérales vers le rouleau de compactage dans une direction sensiblement parallèle au premier plan.
Selon l’invention, le système de compactage est monté dans une zone centrale de la face avant, les bobines sont disposées sur la face avant, de part et d’autre de cette zone centrale, la portion de la zone centrale en amont et/ou en aval du rouleau de compactage par rapport au sens d’avancement de la tête lors du drapage est utilisée pour acheminer les fibres vers le rouleau d’application. Les premiers moyens de renvoi, par exemple formés d’une première poulie de renvoi ou d’un premier rouleau de renvoi pour chaque fibre, sont de préférence disposés à proximité du bord amont et/ou du bord aval, et sont aptes à rediriger toutes les fibres provenant des zones latérales vers le rouleau de compactage dans une direction sensiblement parallèle au premier plan.
On entend par « sensiblement parallèle », un angle entre ladite direction des fibres et ledit premier plan compris entre -10° et 10°, de préférence entre -5° et 5°, mieux encore entre -2,5° et 2,5°.
De préférence, la tête comprend au moins un module fonctionnel portant ledit rouleau de compactage et comprenant des moyens de guidage, lesdits moyens de guidage comprennent une première rangée de premières poulies aptes à guider des premières fibres en direction du rouleau de compactage selon un premier plan de guidage formant un premier angle non nul avec le plan de compactage passant par l’axe du rouleau de compactage et perpendiculaire au premier plan, et une deuxième rangée de deuxièmes poulies aptes à guider des deuxièmes fibres en direction du rouleau de compactage selon un second plan de guidage formant un deuxième angle non nul avec le plan de compactage, les premiers moyens de renvoi, par exemple formés de premières poulies de renvoi, étant aptes à rediriger toutes les fibres provenant des zones latérales vers ladite première rangée de premières poulies et ladite deuxième rangée de deuxièmes poulies, dans une direction sensiblement parallèle au premier plan.
Cette architecture de tête spécifique avec un tel positionnement des bobines permet d’avoir un nombre important de bobines embarquées sur la tête avec un encombrement réduit et une distance TCP raisonnable, tout en ayant un accès aisé aux bobines pour leur remplacement et/ou pour positionner manuellement la fibre de sa bobine jusqu’au rouleau. De préférence,
- les moyens support sont disposés dans les deux zones latérales, symétriquement de part et d’autre du premier plan, et/ou les moyens support sont disposés de chaque côté du premier plan selon au moins une rangée de moyens support, et/ou
- ladite face arrière est munie de moyens d’assemblage aptes à coopérer avec des moyens d’assemblage complémentaires d’un système de déplacement pour l’assemblage de la tête au système de déplacement selon un axe d’assemblage, qui est de préférence perpendiculaire à l’axe de rotation du rouleau de compactage et/ou qui est disposé selon le premier plan principal.
Selon un mode de réalisation, les premiers moyens de renvoi sont montés dans la portion amont de la zone centrale disposée en amont du système de compactage par rapport au sens d’avancement de la tête lors du drapage, toutes les fibres provenant des bobines étant ainsi ramenées d’un même côté de la tête, au niveau du bord amont. Cette disposition facilite le passage des fibres par un opérateur jusqu’au rouleau de compactage, et permet de maintenir libre, d’une part la portion aval de la zone centrale, par exemple pour le montage de dispositifs, tel qu’un dispositif d’inspection automatique des fibres drapées, et d’autre part l’espace au-dessus du rouleau de compactage, pour divers équipements tels que les vérins de compactage ou les différents systèmes de connexions pneumatiques et/ou électriques de la tête, notamment pour des moyens de coupe, de réacheminement ou de blocage de fibres.
Selon un mode de réalisation, la tête comprend au moins un module fonctionnel portant ledit rouleau de compactage, et comprenant des moyens de guidage aptes à guider des premières fibres en direction du rouleau de compactage selon un premier plan de guidage formant un premier angle non nul avec le plan de compactage passant par Taxe du rouleau de compactage et perpendiculaire au premier plan, et à guider des deuxièmes fibres en direction du rouleau de compactage selon un second plan de guidage formant un deuxième angle non nul avec le plan de compactage, ledit deuxième angle étant inférieur au premier angle, lesdits plans de guidage étant disposés du même côté du plan de compactage, en amont dudit plan de compactage par rapport au sens d’avancement de la tête lors du drapage.
Cette configuration de tête, avec les deux plans de guidage disposé du même côté par rapport au plan de compactage, permet d’avoir à la fois pour les premières fibres et les deuxièmes fibres des angles d’arrivée de fibres sur le rouleau par rapport à la surface de drapage qui restent faibles, garantissant un bon réacheminement des fibres après des opérations de coupe et un bon chauffage des premières et des deuxièmes fibres, et donc une bonne qualité de drapage à des vitesses élevées.
Par ailleurs, cette configuration de tête combinée à des premiers moyens de renvoi montés dans la portion amont de la zone centrale permet d’obtenir une tête avec des chemins de fibres très simples jusqu’au rouleau.
Selon un mode de réalisation, la tête comprend un module fonctionnel, comprenant le système de compactage, des moyens de coupe de fibre, des moyens de réacheminement de fibres et des moyens de blocage de fibres, ledit module fonctionnel étant de préférence monté mobile en translation sur la structure support selon une direction parallèle au premier plan et relié à la structure support par un ou plusieurs vérins de compactage.
Selon un mode de réalisation, pour chaque bobine, les moyens support comprennent un mandrin monté en porte à faux sur la structure support, en saillie sur la face avant. Selon un mode de réalisation, les mandrins sont disposés symétriquement de part et d’autre du premier plan dans les deux zones latérales de la face avant, de préférence selon au moins une rangée dans chaque zone latérale.
Selon un mode de réalisation, dans chaque zone latérale, la tête comprend une première rangée de premiers mandrins disposée le long du premier plan, et une deuxième rangée de deuxièmes mandrins disposée le long de la première rangée, du côté de la première rangée qui est opposé au premier plan, le long du bord latéral.
Selon un mode de réalisation, la tête comprend des mandrins dont les points d’assemblage sont disposés dans un premier plan de mandrin qui est parallèle à l’axe de rotation du rouleau et disposé à une première distance dudit axe de rotation, et des mandrins dont les points d’assemblage sont disposés dans un deuxième plan de mandrin qui est parallèle à l’axe de rotation et disposé à une deuxième distance dudit axe de rotation, ladite deuxième distance étant supérieure à la première distance, le point d’assemblage d’un mandrin étant défini par l’intersection entre l’axe du mandrin et le plan d’assemblage dudit mandrin sur la structure support. Cette disposition des mandrins à des niveaux différents permet de proposer une tête de faible encombrement permettant de drapage sur des surface à faible rayon de courbure et permet également de libérer de l’espace dans la structure support, entre la face avant et la face arrière, pour le positionnement de différents composants.
Selon un mode de réalisation, dans le cas de mandrins disposés selon deux rangées de chaque côté du premier plan principal, les points d’assemblage des premiers mandrins sont disposés selon le premier plan de mandrin et les points d’assemblage des deuxièmes mandrins sont disposés selon le deuxième plan de mandrin.
Selon un mode de réalisation, les axes des mandrins sont inclinés vers l’extérieur par rapport au premier plan. Cette inclinaison des axes permet de limiter davantage l’encombrement de la tête tout en garantissant un accès aux opérateurs pour placer les bobines.
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 G 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.
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 d’un mode de réalisation particulier actuellement préféré de l'invention, en référence aux dessins schématiques annexés, sur lesquels :
- la Figure 1 est une vue en perspective d’une tête d’application de fibres selon l’invention ;
- la Figure 2 est une vue de côté de la tête de la figure 1 ;
- la Figure 3 est une vue de face de la tête de la figure 1 ; et,
- la Figure 4 est une vue partielle en coupe selon le plan de coupe IV-IV de la figure 2.
Les figures 1 à 4 illustrent une tête d’application de fibres selon l’invention, permettant ici d’embarquer seize bobines de fibres, pour draper au contact au moyen d’un seul rouleau de compactage une bande de 16 fibres.
La tête comprend une structure support 10, globalement parallélépipédique, présentant une face avant 11 principale, une face arrière 12 principale, et quatre faces latérales, appelées bord aval 13, bord amont 14, et bords latéraux 15, q définis par rapport au sens d’avancement S de la tête lors du drapage. La structure support présente un axe central principal Al, un premier plan PI principal et un deuxième plan P2 principal, disposés perpendiculairement l’un à l’autre, dont l’intersection correspond audit axe central. Les bords latéraux 15 sont disposés symétriquement de part et d’autre du premier plan PI, et les bords aval et amont 13, 14 sont disposés symétriquement de part et d’autre du deuxième plan P2. La structure support comprend des éléments de structure rigides (non représentés), par exemple métalliques, recouverts par des diverses plaques de capotage représentées sur les figures. Dans le présent mode de réalisation, les bords aval et amont 13, 14 sont sensiblement plans, disposés parallèlement au deuxième plan P2, et chaque bord latéral 15 présentent une portion centrale plane 151, parallèle au premier plan PI, se prolongeant jusqu’au bord amont et au bord aval par des portions courbées 152a 152b, parallèle à l’axe Al .
La tête présente sur sa face arrière 12 des moyens d’assemblage (non représentés) permettant l’assemblage de la tête à un système de déplacement selon un axe d’assemblage qui est de préférence confondu avec l’axe Al central. La tête peut par exemple être assemblé au poignet d’un système de déplacement de type portique, permettant un déplacement en translation selon trois directions perpendiculaires entre elles, le poignet permettant un déplacement en rotation autour de trois axes, dont un confondu avec l’axe Al. Selon un autre mode de réalisation, le système de déplacement est un robot poly-articulé 6 axes, l’axe 6 du robot étant confondu avec l’axe Al .
La tête est équipée sur sa face avant d’un système de compactage comprenant ici un seul rouleau de compactage 21. Le rouleau de compactage est monté mobile en rotation autour d’un axe A2, sur un module fonctionnel 2, ledit module fonctionnel étant monté sur la structure support de manière mobile en translation selon une direction DI parallèle à l’axe A, de sorte que l’axe A2 de rotation du rouleau est mobile dans un plan de compactage Pc qui est parallèle à l’axe A et perpendiculaire au premier plan PI, ledit plan PI passant par le milieu du rouleau de compactage. Le module fonctionnel est assemblé à au moins un vérin de compactage. Ledit module fonctionnel est par exemple monté mobile en translation entre deux rails 23 assemblés sur la structure support et est assemblé en partie supérieure aux extrémités des tiges de deux vérins de compactage, les deux vérins étant assemblés par leur corps à la structure support. Selon un mode de réalisation particulier, l’axe A2 est disposé dans le deuxième plan P2, le plan de compactage Pc étant confondu avec ce deuxième plan P2, l’axe Al passant par le milieu du rouleau, et donc par le point TCP de la tête.
En référence à la figure 4, le module fonctionnel comprend un système de guidage 22 permettant de guider des premières fibres Fl en direction du rouleau de compactage 21 selon un premier plan de guidage P3 formant un premier angle ai non nul avec le plan de compactage Pc, et de guider des deuxièmes fibres F2 en direction du rouleau de compactage selon un second plan de guidage P4 formant un deuxième angle a2 non nul avec le plan de compactage, ledit deuxième angle étant inférieur au premier angle ai. Lesdits plans de guidage P3, P4 sont disposés du même côté du plan de compactage, en amont dudit plan de compactage par rapport au sens devancement S de la tête lors du drapage.
Le système de guidage est disposé du côté du bord amont 14 de la structure support par rapport au rouleau, et comprend des premiers canaux et des seconds canaux dans lesquels passent respectivement les premières fibres Fl et les deuxièmes fibres F2 pour les amener tangentiellement au rouleau d'application. Les premiers et seconds canaux sont disposés en quinconce selon les deux plans de guidage P3, P4, de sorte les premières fibres et les deuxièmes fibres soient disposées de manière alternée au niveau du rouleau d’application, de préférence sensiblement bord à bord.
Le système de guidage 22 comprend en outre une première rangée de premières poulies 221 sur lesquelles passent des premières fibres Fl pour être guidées selon le premier plan P3 dans les premiers canaux et une deuxième rangée de deuxièmes poulies 222 sur lesquelles passent des deuxièmes fibres pour être guidées selon le deuxième plan P4 dans les seconds canaux. Ces premières poulies et secondes poulies, illustrées de manière schématique sur les figures, sont de préférence montées sur le module fonctionnel, de manière rotative autour d’axes parallèles à l’axe A2 du rouleau. Le module fonctionnel est ici prévu pour permettre le drapage d’une bande de seize fibres et comprend donc huit premières poulies pour orienter une première nappe de huit premières fibres dans huit premiers canaux selon le plan P3 et huit deuxièmes poulies pour orienter une deuxième nappe de huit deuxièmes fibres dans huit deuxièmes canaux.
Le module fonctionnel comprend en outre des moyens de coupe pour couper individuellement chaque fibre en amont du rouleau, des moyens de réacheminement, disposés en amont de moyens de coupe par rapport à la direction d’avancement de la fibre, pour réacheminer chaque fibre jusqu’au rouleau de compactage après une opération de coupe, et des moyens de blocage pour bloquer la fibre venant d’être coupée, de tels moyens étant connus en soi. Les moyens de coupe comprennent pour chaque fibre au moins une lame apte à être manœuvrée par un vérin de coupe entre une position de repos et une position active pour couper une fibre. Les moyens de blocage comprennent par exemple un plot de blocage apte à être manœuvré par un vérin de blocage entre une position de repos et une position active pour bloquer la fibre. A titre d’exemple, le module fonctionnel comprend des moyens de coupe et des moyens de blocage, tels que décrits dans le document brevet EP2134532, WO20 17/072421 ou FRI 7/01245 et FRI 7/01247. Fes moyens de réacheminement comprennent pour chaque fibre un contre-galet actionné par un vérin de réacheminement entre une position de repos et une position active. En position active, le contre-galet est apte à plaquer la fibre contre un rouleau d’entrainement motorisé pour le réacheminement de cette dernière, le module fonctionnel comprenant un rouleau d’entrainement commun pour les contre-galets des premières fibres et un rouleau d’entrainement commun pour les contre-galets des deuxièmes fibres.
Fa tête porte sur sa face avant 11 des moyens support 4 de bobines disposés symétriquement de part et d’autre d’une zone centrale 51 qui s’étend du bord aval 13 au bord amont 14, et dont la largeur correspond sensiblement à la largeur du module fonctionnel 2. Chaque bobine de fibre est obtenue par une opération d’enroulement ou trancannage consistant à enrouler régulièrement la fibre spire par spire et couche par couche sur toute la longueur d’une bobine.
En référence aux figures 2 et 3, pour chaque bobine de fibre, les moyens support comprennent un module support 4 comportant un mandrin 41 d’axe de rotation A3, pour la réception d’une bobine de fibre B, et un système de contrôle de tension de la fibre agissant sur la rotation du mandrin en fonction de la tension dans la fibre déroulée. Fe mandrin 41 est monté en porte à faux sur la face avant, et est relié à l’extrémité de l’arbre d’entraînement d’un moteur pour son entraînement en rotation autour de son axe A3. Fe moteur est disposé dans le volume intérieur de la structure support défini entre les faces 13-15. Fe mandrin est équipé de moyens de blocage, par exemple de type pneumatiques, pour bloquer en position la bobine sur le mandrin. Fe système de contrôle de tension comprend un rouleau de déroulement 42, et un rouleau oscillant 43 monté à l’extrémité d’un bras oscillant 44, la rotation du mandrin étant contrôlée en fonction de la position du rouleau oscillant. Fa fibre déroulée de la bobine passe sur le rouleau de déroulement 41, puis sur le rouleau oscillante 43. Le rouleau de déroulement est monté sur la face avant, de manière rotative autour d’un axe parallèle à l’axe A3. Le bras oscillant 44 est monté libre en rotation par une première extrémité autour de l’axe A3 du mandrin, et porte à sa deuxième extrémité le rouleau oscillant 43, ledit rouleau oscillant étant monté mobile en rotation autour d’un axe qui est parallèle à l’axe A3. Le bras oscillant est équipé d’un capteur de position, pour détecter la position angulaire du bras, qui est relié à une unité de commande de la machine de placement de fibre qui, en fonction du signal de position, pilote dynamiquement le moteur pour faire varier la vitesse de rotation du premier mandrin.
Dans le présent mode de réalisation, la tête comprend seize modules support disposés symétriquement de part et d’autre du premier plan dans les deux zones latérales 52 de la face avant. Dans chaque zone latérale, les modules support sont disposés en deux rangée de quatre modules support. Une première rangée de quatre premiers modules support comprenant des premiers mandrins est disposée le long du premier plan PI, et une deuxième rangée de quatre deuxièmes modules support comprenant des deuxièmes mandrins est disposée le long de la première rangée, du côté de la première rangée qui est opposé au premier plan PI, le long du bord latéral 15.
L’intersection entre l’axe A3 d’un mandrin 41 et le plan d’assemblage dudit mandrin sur la structure support définit le point d’assemblage d’un mandrin. En référence à la figure 2, les premiers modules support sont montés sur la structure support de sorte que les points d’assemblage 45 des premiers mandrins sont disposés dans un premier plan de mandrin P5, parallèle à l’axe A2 du rouleau et disposé à une première distance dl dudit l’axe A2. Les deuxièmes modules support sont montés sur la structure support de sorte que les points d’assemblage 46 des premiers mandrins sont disposés dans un deuxième plan de mandrin P6, parallèle à l’axe A2 de rotation et disposé à une deuxième distance d2 de l’axe de rotation, qui est supérieure à la première distance dl .
Par ailleurs, les premiers et deuxièmes modules support sont montés sur la structure support de sorte que les axes A3 des mandrins sont inclinés vers l’extérieur par rapport au premier plan PI d’un angle a3,par exemple compris en 5 et 20°, par exemple d’environ 10°. A titre d’exemple de montage, chaque module support comprend une platine d’assemblage, formée d’une plaque plane, sur laquelle est monté le mandrin 41, de sorte que l’axe A3 du mandrin soit disposé perpendiculairement à la platine. La platine porte également le rouleau de déroulement. Les platines sont assemblées sur la structure support et définissent les plans d’assemblage précités des mandrins. De chaque côté du premier plan PI, les platines des premiers modules support sont montées sur la structure support à une distance dl de l’axe A2 tandis que les platines des deuxièmes modules support sont disposées à une distance d2. Les platines des premiers et deuxièmes modules support sont disposées parallèlement entre-elles et sont inclinées par rapport au premier plan PI de sorte que les axes A3 des mandrins fassent un angleX3. Les angles o¾ des premiers et deuxièmes mandrins sont ici identiques. En variante, les angles 013 des axes des premiers mandrins sont différents de ceux des deuxièmes mandrins.
La tête comprend un système de renvoi permettant de diriger les fibres déroulées depuis les modules support vers le bord amont 14 de la tête puis vers le module fonctionnel, plus particulièrement vers les premières et deuxièmes poulies 221, 222 du module fonctionnel. Les fibres déroulées depuis les premiers modules support vont constituer les premières fibres Fl de la première nappe, tandis que les fibres déroulées depuis les deuxièmes modules support vont constituer les deuxièmes fibres F2 de la deuxième nappe.
Pour chaque première rangée de premiers modules support, le système de renvoi comprend un premier ensemble de premières poulies 71 disposé dans la portion amont 511 de la zone centrale 51, et un deuxième ensemble de deuxièmes poulies 72 disposé dans la zone latérale 72 à proximité du bord amont 14. Ces premières poulies et deuxièmes poulies, illustrées de manière schématique sur les figures, sont montées sur la structure support de manière rotative autour d’axes de rotation parallèles aux axes A3 des mandrins. Chaque fibre provenant d’un rouleau oscillant d’un premier module passe sur une deuxième poulie 72, puis sur une première poulie 71. Dans un souci de clarté des figures, les chemins de fibre sont illustrés uniquement à partir des rouleaux oscillants jusqu’au module fonctionnel 2. Le chemin de fibre d’une première fibre est le suivant : la fibre déroulée depuis sa bobine passe sur le rouleau de déroulement, le rouleau oscillant, s’étend sensiblement parallèlement au premier plan PI jusqu’à passer sur une deuxième poulie 72, s’étend le long du bord amont 14 jusqu’à passer sur une première poulie 71, puis s’étend sensiblement parallèlement au premier plan PI jusqu’à la première poulie 221 du module fonctionnel. Pour faciliter les chemins de fibres, comme mieux visible sur la figure 3, les modules support de la première rangée sont disposés selon une ligne, passant par les axes des mandrins, qui est légèrement inclinée par rapport au premier plan PI, plus le module support est éloigné du bord amont 14, plus ledit module est écarté dudit premier plan. Les rouleaux oscillants sont ainsi décalés les uns des autres par rapport au premier plan et les axes des deuxièmes poulies 72 sont décalés de manière correspondante, de sorte que les premières fibres Fl suivent des chemins parallèles sans entrer en contact les unes avec les autres.
Pour chaque deuxième rangée de deuxièmes modules support, le système de renvoi comprend un premier ensemble de premières poulies 73 disposé dans la portion amont 511 de la zone centrale, un deuxième ensemble de deuxièmes poulies 74 disposé dans la zone latérale à proximité du bord latéral 15, au niveau de la jonction entre sa portion plane 151 et sa portion courbée 152a, et un troisième ensemble de troisième poulies 75 disposé à proximité du bord latéral 15, à proximité de la jonction de sa portion courbée 152a avec le bord amont 14. Ces poulies 73-75, illustrées de manière schématique sur les figures, sont montées sur la structure support de manière rotative autour d’axes de rotation parallèles aux axes A3 des mandrins. Les trois modules support de la deuxième rangée les plus proches du bord amont sont disposés selon une ligne qui est légèrement inclinée par rapport au premier plan, plus le module support est éloigné du bord amont, plus ledit module est écarté du premier plan. Le quatrième module support disposé le plus près du bord aval 13, est légèrement décalé vers l’intérieur par rapport aux trois autres modules support, le système de renvoi comprenant, pour la fibre provenant de ce module, un rouleau de renvoi 76 dont l’axe de rotation est parallèle aux axes des mandrins et disposé à proximité de la jonction entre la portion plane 151 et la portion courbée 152b du bord latéral. Les rouleaux oscillants sont ainsi décalés les uns des autres par rapport au premier plan. Les axes des deuxièmes poulies 74 sont décalés de manière correspondante de sorte que les deuxièmes fibres F2 suivent des chemins parallèles sans entrer en contact les unes avec les autres.
Le chemin de fibre d’une deuxième fibre F2 est le suivant : la fibre déroulée depuis sa bobine passe sur le rouleau de déroulement, le rouleau oscillant, s’étend sensiblement parallèlement au premier plan à proximité de la portion plane 151 du bord latéral, jusqu’à passer sur une deuxième poulie 74. Pour la fibre déroulée depuis le quatrième module précité, la fibre passe sur le rouleau de renvoi 76 avant de passer sur une deuxième poulie 74. Au-delà de la deuxième poulie, chaque deuxième fibre s’étend le long de la portion courbée 152a jusqu’à passer sur une troisième poulie 75, puis le long du bord amont jusqu’à passer sur une première poulie 73, puis s’étend sensiblement parallèlement au premier plan jusqu’à une deuxième poulie 222 du module fonctionnel.
Comme mieux visible sur la figure 2, le positionnement des premiers modules support et des deuxièmes modules support sur deux niveaux différents, à des distances dl, d2 différentes de l’axe A2 du rouleau, permet d’avoir deux plans médians différents pour les chemins de fibres des premières fibres et des deuxièmes fibres, ce qui permet une meilleure répartition des systèmes de renvoi sur la tête et facilite ainsi le passage des fibres par un opérateur sur les différentes poulies de renvoi.
Dans le mode de réalisation illustré, pour chaque module support, le rouleau oscillant est disposé du côté du mandrin qui est opposé au premier plan PI, les premières fibres sont ramenées vers le bord amont en passant entre les premiers et deuxièmes modules, et les deuxièmes fibres passent du coté extérieur des deuxième modules support. Cette disposition permet d’obtenir une tête compacte tout en permettant à un opérateur de passer une fibre depuis la bobine jusqu’au module fonctionnel de manière relativement aisée. Selon un autre mode de réalisation les rouleaux oscillants sont disposés de sorte que les premières fibres passent entre les premiers modules et le premier plan, et les deuxièmes fibres passent entre les premiers modules support et les deuxièmes modules support.
Chaque module support peut comprendre en outre un capteur permettant de détecter le diamètre de la bobine qui varie en cours de drapage. Le capteur, par exemple un capteur à ultrason, est connecté à G unité de commande qui pilote le moteur pour définir la vitesse de rotation de la bobine en fonction de son diamètre.
Les modules support avec mandrins motorisés peuvent être chargés avec de grosses bobines de fibres, par exemple de l’ordre de 15kg. A titre d’exemple non limitatif, les fibres sont des fibres de carbone, des fibres de verre, des fibres d’aramide, des fibres de polyéthylène, et/ou des fibres par exemple naturelles, telles que par exemple des fibres de lin. Les fibres peuvent être des fibres pré imprégnées d’une résine thermoplastique ou thermodurcissable, des fibres sèches, et/ou des fibres sèches munies d’un liant, pour conférer un caractère collant aux fibres lors du drapage. A titre d’exemple, les fibres ont une largeur de 1/8, 1/4 ou 1/2 pouce. Selon un autre mode de réalisation, dans le cas de bobine de fibre de plus petite taille, par exemple de l’ordre de 5 kg, chaque premier mandrin est monté libre en rotation sur la paroi support et est par exemple équipé d’un système de freinage automatique asservi en fonction de la tension de la fibre. Le système de freinage est commandé en fonction de la position du bras oscillant, la commande étant par exemple de type mécanique, pneumatique ou électrique.
Pour chaque bobine, la fibre peut être enroulée sur la bobine avec un film de protection sur l’une de ses faces, de sorte que les spires de fibre enroulées sur la bobine soient séparées les unes des autres. Ce film de protection, appelé également film intercalaire ou séparateur, évite que les spires de fibre ne collent les unes aux autres et garantit un déroulement correct de la fibre, en particulier dans le cas de fibres pré imprégnées. Chaque module support peut alors comprendre en outre un mandrin additionnel sur lequel est placé une bobine ou rouleau afin de rembobiner le film de protection au fur et à mesure que la fibre est débobinée.
La tête peut comprendre un système de chauffe dont le rayonnement est dirigé obliquement vers la zone de pincement ou zone de contact entre le rouleau de compactage et la surface d’application, pour chauffer les fibres à draper, avant leur compactage par ce dernier, ainsi que la surface d’application et/ou une ou plusieurs fibres préalablement appliquées en amont du rouleau. Le système de chauffe, de préférence montée sur le module fonctionnel en amont du rouleau par rapport à la direction d’avancement de la tête, comprend une ou plusieurs lampes flash, tel que décrit dans le document brevet WO2014/029969 ou WO2017/134453, une ou plusieurs lampes infrarouges, ou un système de chauffe de type laser.
Le rouleau de compactage est par exemple un rouleau souple, réalisé en un matériau dit souple, déformable élastiquement, par exemple en matériau élastomère, de manière à pouvoir se déformer en épousant le profil de la surface de drapage. Selon un autre mode de réalisation, le rouleau est un rouleau rigide segmenté, par exemple métallique, comprenant plusieurs segments de rouleau indépendants montés côte à côte sur une même tige axiale, chaque segment étant déplaçable sur ladite tige axiale, perpendiculairement à cette dernière, de manière indépendante, et étant sollicité élastiquement contre la surface d’application par des moyens élastiques, tels que des systèmes à poche expansible.
La portion aval 512 de la zone centrale peut être utilisée pour le positionnement de divers dispositifs, en particulier pour le positionnement d’un dispositif d’inspection en ligne.
Selon un autre mode réalisation, la tête d’application de fibres permet d’embarquer uniquement huit bobines de fibres, la structure support étant alors dimensionnée pour porter sur sa face avant uniquement les premiers modules support décrits précédemment, disposés selon deux rangées de quatre modules support, de part et d’autre et le long du premier plan. Comme précédemment, les fibres sont ramenées desdites modules par des poulies de renvoi vers le bord amont de la structure support et en direction d’un module fonctionnel, prévu ici pour appliquer huit fibres. Avantageusement, pour chaque rangée, les mandrins des deux modules support au centre de la rangée, ont des points d’assemblage disposés selon le plan P5 précité à une distance dl de l’axe du rouleau, et les mandrins des deux modules support aux extrémités de la rangée, ont des points d’assemblage disposés selon le plan P6 précité à une distance d2 de l’axe du rouleau. Les fibres provenant des quatre modules support au centre des deux rangées constituent les premières fibres de la première nappe, tandis que les fibres provenant des quatre modules support aux extrémités des rangées constituent les deuxièmes fibres de la deuxième nappe.
Bien que l’invention ait été décrite en liaison avec un mode de réalisation particulier, 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 une structure support (10) présentant une face arrière (12) et une face avant (11), un système de compactage comprenant au moins un rouleau de compactage (21) monté sur la face avant de manière rotative autour d’un axe (A2) de rotation, des moyens support (4) de bobines de fibre montés sur la face avant, et des systèmes de renvoi (71-76) pour diriger les fibres (Fl, F2) depuis les bobines vers ledit rouleau de compactage, caractérisée en ce que
- les moyens support sont positionnés dans deux zones latérales (52) de la face avant, disposées de part et d’autre d’une zone centrale (51) qui est centrée selon un premier plan (PI) principal perpendiculaire à l’axe (A2) de rotation du rouleau de compactage et dans laquelle est disposé ledit rouleau de compactage, ladite zone centrale s’étendant d’un bord aval (13) à un bord amont (14) de la structure support,
- les systèmes de renvoi comprennent des premiers moyens de renvoi (71, 73) montés sur la face avant, dans la zone centrale, et aptes à rediriger les fibres (Fl, F2) provenant des zones latérales (52) vers le rouleau de compactage dans une direction sensiblement parallèle au premier plan (PI).
2. Tête selon la revendication 1, caractérisée en ce que les premiers moyens de renvoi (71,73) sont montés dans la portion amont (511) de la zone centrale (51) disposée en amont du système de compactage par rapport au sens (S) d’avancement de la tête lors du drapage.
3. Tête selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu’elle comprend au moins un module fonctionnel (2) portant ledit rouleau de compactage (21), et comprenant des moyens de guidage (22) aptes à guider des premières fibres (Fl) en direction du rouleau de compactage selon un premier plan de guidage (P3) formant un premier angle (ai) non nul avec le plan de compactage (Pc) passant par l’axe (A2) du rouleau de compactage et perpendiculaire au premier plan (PI), et à guider des deuxièmes fibres (F2) en direction du rouleau de compactage selon un second plan de guidage (P4) formant un deuxième angle (Œ2) non nul avec le plan de compactage, ledit deuxième angle («2) étant inférieur au premier angle (ai), lesdits plans de guidage étant disposés du même côté du plan de compactage, en amont dudit plan de compactage par rapport au sens (S) d’avancement de la tête lors du drapage.
4. Tête selon Tune des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que, pour chaque bobine, les moyens support comprennent un mandrin (41) monté en porte à faux sur la structure support.
5. Tête selon la revendication 4, caractérisée en ce que les mandrins (41) sont disposés symétriquement de part et d’autre du premier plan (PI) dans les deux zones latérales (52) de la face avant, selon au moins une rangée dans chaque zone latérale.
6. Tête selon la revendication 5, caractérisée en ce que, dans chaque zone latérale (52), la tête comprend une première rangée de premiers mandrins disposée le long du premier plan (PI), et une deuxième rangée de deuxièmes mandrins disposée le long de la première rangée, du côté de la première rangée qui est opposé au premier plan (PI).
7. Tête selon l’un e des revendications 4 à 6, caractérisée en ce que la tête comprend des mandrins dont les points d’assemblage (45) sont disposés dans un premier plan de mandrin (P5) qui est parallèle à Taxe (A2) de rotation du rouleau et disposé à une première distance (dl) dudit axe (A2) de rotation, et des mandrins dont les points d’assemblage (46) sont disposés dans un deuxième plan de mandrins (P6) qui est parallèle à Taxe (A2) de rotation et disposé à une deuxième distance (d2) dudit axe de rotation, ladite deuxième distance (d2) étant supérieure à la première distance (dl).
8. Tête selon la revendication 6 et 7, caractérisée en ce que les points d’assemblage (45) des premiers mandrins sont disposés selon le premier plan de mandrin (P5) et les points d’assemblage (46) des deuxièmes mandrins sont disposés selon le deuxième plan de mandrin (P6).
9. Tête selon Tune des revendications 4 à 8, caractérisée en ce que les axes (A3) des mandrins sont inclinés vers l’extérieur par rapport au premier plan (PI).
10. 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 selon l’une des revendications 1 à 9, par déplacement relatif de la tête d’application par rapport à la surface de drapage selon des trajectoires de dépose.
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