EP4288275A1 - Procede de preparation de pieces composites a fort degre de consolidation - Google Patents

Procede de preparation de pieces composites a fort degre de consolidation

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Publication number
EP4288275A1
EP4288275A1 EP22708585.9A EP22708585A EP4288275A1 EP 4288275 A1 EP4288275 A1 EP 4288275A1 EP 22708585 A EP22708585 A EP 22708585A EP 4288275 A1 EP4288275 A1 EP 4288275A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
strip
heating
support
impregnated
fibrous materials
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.)
Pending
Application number
EP22708585.9A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Arthur BABEAU
Axel SALINIER
Thibaut SAVART
Gilles Hochstetter
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.)
Arkema France SA
Original Assignee
Arkema France SA
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 Arkema France SA filed Critical Arkema France SA
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Pending legal-status Critical Current

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Definitions

  • This patent application relates to a process for preparing composite parts with a high degree of consolidation and the composite parts as such.
  • thermoplastic tape or tape
  • thermoplastic composite The manufacturing quality of a thermoplastic composite and its performance/cost ratio are dependent on many criteria.
  • thermoplastic impregnated strips there are criteria linked to the material health of the material (quality of impregnation, system control of the dimensional parameters, etc.) as well as to its nature (type of fibres, type of resin, reinforcement rate, etc.).
  • thermoplastic polymer such as international applications WO 2018/234436, WO 2018/234439 or WO 2018/234434.
  • Robots come to unwind and place pre-impregnated strips in very precise places by means of a robotic system.
  • the latter generally comes in the form of a robotic and multiaxial arm at the end of which is fixed a dispensing head within which the pre-impregnated strips pass.
  • the head is used to guide these strips but also to cut them when the robot changes trajectory during the manufacture of the part.
  • It also generally includes a gripper roller for applying pressure to the strip during its removal.
  • it is equipped with one or more heating means making it possible to heat the impregnated strip in order to melt the polymer which it contains and thus making it possible to make it adhere to the strip or the support on which it is deposited.
  • heating means can be used on this laying head: Laser, Light Emitting Diode or LED, Ultra Violet (UV), hot air source, infrared (IR) etc... They heat the sheet during laying and sometimes they also slightly heat the support on which the strips are deposited to facilitate adhesion and improve the quality of the deposited composite.
  • UV Ultra Violet
  • IR infrared
  • the term “cold lower layer” is understood to mean a layer which is only superficially heated on the surface by the robot's laying head, at the time of welding and which cools very rapidly after the passage of the robot's laying head. Poor consolidation in these removal steps is generally detrimental to the final properties of the composite, particularly in terms of mechanical performance.
  • the final stage of the composite production system is its consolidation. It can take place after the tape removal step (autoclave, heating press, consolidation in an oven, under vacuum, etc.). But it can also take place during the removal of the strips; it is online or in-situ consolidation.
  • said method defined above is also excluding the following three systems when only three heating systems are present: a system for preheating (1) said strip of impregnated fibrous materials before depositing said strip on said support, a system for heating said web of fibrous materials impregnated on its internal face (2) at the point of contact of said web with said support and a system for heating said web of fibrous materials impregnated on its external face (3 ) at the point of contact of said strip with said support.
  • said method defined above is characterized by a main heating system chosen from the following two systems: a preheating system (1) of said strip of impregnated fibrous materials before depositing said strip on said support and a system for heating said strip of fibrous materials impregnated on its internal face (2) at the point of contact of said strip with said support, in association with at least one secondary heating system chosen from among the following three: a post-heating system (4) of said strip n of fibrous materials impregnated after depositing said strip n on said support, a heating system (5) of said support, and a system for preheating strip n-1 of impregnated fibrous material (6) previously deposited before depositing said strip n of fibrous material, or two main heating systems (1) and (2) optionally associated with at least one of three secondary systems (4), (5) and (6), said support being devoid beforehand of any strip deposited or comprising at least one n-1 strip of said fibrous material impregnated with a thermoplastic polymer deposited beforehand.
  • a main heating system chosen from the
  • a system for heating said strip of fibrous material impregnated on its internal face (2) at the point of contact of said strip with said support therefore means that said strip of impregnated fibrous material to be deposited is heated on its internal face at the point of contact of said strip with said support.
  • a system for heating said strip of fibrous materials impregnated on its external face (3) at the point of contact of said strip with said support therefore means that said strip of impregnated fibrous materials to be deposited is heated on its external face at the point of contact of said strip with said support.
  • thermoplastic polymer or tape may be used and designate the same thing.
  • the bands can be deposited according to one of the methods of the prior art described above.
  • the removal can in particular be carried out with a removal head and/or a guide.
  • support designates any base on which the strips n are successively deposited.
  • the support When a first strip is deposited on said support, the support is bare, that is to say devoid of any material other than the material constituting said support. After deposition of a first strip, it can completely cover the total surface of the support.
  • a strip deposited on said bare support or on a previous strip already deposited has an inner face and an outer face, the inner face being in contact with said support or the outer face of the previous strip already deposited.
  • the next band n deposited by the method of the invention covers the band n-1 previously deposited and so on.
  • the following strip n deposited by the method of the invention does not overlap and is not joined to the strip n-1 previously deposited on the support, this is the case until the other end of the support and therefore several strips on a single strip thickness partially cover the support.
  • the following bands will be deposited on the first series of bands (the several bands on a single thickness of band) either in the same way or in a “cross” way above the first series.
  • planar shape examples are square, rectangular planar shape.
  • a 2.5 D shape means a deviation from the planar shape, locally or globally, such as a shell with a curvature for example, whose dimensions in the 3rd dimension are much smaller than the dimensions in the other two dimensions.
  • the support When it is flat in shape, the support can be fixed or rotatable, in particular fixed.
  • the axis of rotation is not in the plane of the support and the head for laying the strip which allows the contacting of the strip and the support is driven by a translational movement in the support plane.
  • the tape laying head which allows the contact between the tape and the support is moved in 3 dimensions.
  • the support can be equipped with a secondary heating system (5).
  • FIG. 1 An example of a heating system (5) on a fixed plane support, without being limited thereto, is presented in FIG.
  • cylindrical shape is meant a cylinder which is a ruled surface whose generatrices are parallel, that is to say a surface in space made up of parallel straight lines.
  • the support When it is cylindrical, the support can be simultaneously in rotation and in translation along the axis of the cylinder while the tape laying head which allows the contact between the tape and the support is fixed.
  • the support when the support is cylindrical, the support can be rotated along the axis of the cylinder, while the tape laying head which allows the contacting of the tape and the support is driven in a translational movement. parallel to the axis of the tube.
  • the support can be made of any material provided that it resists the heat of the various heating means and the heat of the strip itself, as well as the pressure forces exerted during the removal of the strips.
  • the support may be a thermoplastic or thermoset material or a metallic material or a ceramic material or a combination of these materials, provided that said aforementioned conditions are met.
  • a method comprising a step of depositing at least one strip of fibrous material impregnated with a thermoplastic polymer on a support, by means of at least two heating systems chosen from five systems individuals allowed:
  • thermoplastic polymer or a mixture of thermoplastic polymers at least one of which has a high glass transition temperature by perfectly controlling the thermal deposit of the bands by varying the heating power of the band according to the laying speed; thus making it possible to have a strip which has an equivalent temperature at any point of the composite part at the time of its removal, whatever the shape of this part and by perfectly controlling the thermal of the strips already deposited or to be deposited by adding other means of heating the part being removed.
  • thermoplastic polymer or a mixture of thermoplastic polymers, at least one of which has a high glass transition temperature and having low porosity with or without post-consolidation of this part.
  • thermoplastic polymer or a mixture of thermoplastic polymers, at least one of which has a high glass transition temperature by perfectly controlling the thermal deposit of the bands in the sense that only the amount of calories needed by the band is provided with limited thermal degradation of the thermoplastic polymer.
  • thermoplastic polymer or a mixture of thermoplastic polymers at least one of which has a high glass transition temperature by perfectly controlling the pressure for depositing the tapes to avoid in particular the deconsolidation of these tapes by means for example of a heating pressure roller whose pressure applied to the tape is controlled.
  • thermoplastic polymer or a mixture of thermoplastic polymers at least one of which has a high glass transition temperature and having very slow crystallization kinetics to optimize the adhesion between two successive folds deposited and comprising a heating device also making it possible to optimize the crystallization of the resin after deposition.
  • thermoplastic polymer or a mixture of thermoplastic polymers, at least one of which has a high glass transition temperature and having a low initial viscosity to optimize adhesion between two successive folds deposited.
  • thermoplastic polymer or a mixture of thermoplastic polymers at least one of which has a high glass transition temperature, which are used in fields requiring high performance, particularly mechanical, such as automotive or aeronautical structural parts, gas storage tanks (hydrogen, nitrogen, etc.), sports and leisure, transport in general, etc.
  • fibrous material means an assembly of individual reinforcing fibers. After impregnation with the thermoplastic polymer (the resin), it comes in the form of a single band or ribbon.
  • unitary band or ribbon means a strip which is a semi-finished product of low thickness, uncalibrated in width and thickness, and composed of a single roving of fibers, or a thin tape composed of one or more rovings of fibers. , calibrated in thickness and width, or a tape calibrated in thickness and width and whose thickness is greater than 100 ⁇ m. These tapes can also be obtained after an optional step of longitudinal cutting, otherwise known as slitting, of an initially wider tape.
  • each strip of each layer of strip adhering at least partially with a band from the lower band layer.
  • all the strips deposited have the same thickness, except for the manufacturing tolerance.
  • the strips deposited have a thickness less than or equal to 300 ⁇ m, more advantageously less than 250 ⁇ m.
  • the tape or band has a thickness less than or equal to 150 ⁇ m, preferably less than or equal to 100 ⁇ m.
  • Figure 1 shows an example of different heating systems mentioned above on a support without being limited thereto.
  • Said at least one heating system can be chosen from a heat transfer fluid, direct current, a heating cartridge, induction heating, a heating pressure roller, a light-emitting diode (LED), an infrared (IR), a source of UV, hot air and a laser.
  • a heat transfer fluid direct current
  • a heating cartridge induction heating
  • a heating pressure roller a heating pressure roller
  • a light-emitting diode LED
  • IR infrared
  • source of UV hot air and a laser.
  • said at least one heating system can be chosen from " therefore means that one or more of the heating systems of the process defined above can be chosen from the energy sources defined above , defined above, i.e. heating by conduction (heat transfer fluid, heating cartridge, heating pressure roller), by induction, by radiation (light-emitting diode or IR or UV lamp or laser) or by convection (hot air) .
  • conduction heat transfer fluid, heating cartridge, heating pressure roller
  • induction by radiation (light-emitting diode or IR or UV lamp or laser) or by convection (hot air) .
  • said heating systems present are all infrared systems.
  • said heating systems present are all infrared systems with the exception of the heating system (5) of said support which can also be chosen from a heat transfer fluid, direct current, a heating cartridge and induction heating.
  • the step of depositing at least one strip of fibrous material impregnated with a thermoplastic polymer on a support is carried out by means of a main heating system chosen from the following two systems: a preheating system (1) of said strip of impregnated fibrous material before depositing said strip on said support and a system for heating said strip of fibrous material impregnated on its internal face (2) at the point of contact of said strip with said support, in association with at least a secondary heating system chosen from among the following four: a heating system for said strip of fibrous materials impregnated on its outer face (3) at the point of contact of said strip with said support, a post-heating system (4) for said strip n of impregnated fibrous materials after laying said strip n on said support, a heating system (5) of said support, and a system for preheating
  • the preheating system (1) of said strip of impregnated fibrous materials before depositing said strip on said support, or the heating system (2) which makes it possible to heat both the deposited strip and the strip to be deposited just before its removal on the previous one, are used one or the other in association with at least one of the heaters (3), (4), (5) or (6),
  • the heating system (1) makes it possible to preheat the strip before removal and to bring the thermoplastic polymer of this strip during removal to a temperature close to its melting point if it is semi-crystalline but in any case higher than the Tm, in particular at a temperature at - beyond the end of melting of the thermoplastic polymer otherwise called melting endset and denoted Tf in dset, in particular at Tf in dset + 10°C or close to its Tg if it is amorphous but in any event greater than the Tg, in particular at a temperature Tg+100°C, in particular greater than 150C.
  • the temperature Tf in dset corresponds to the temperature at which the endothermic melting peak joins the baseline (and therefore at the end of melting) as opposed to the temperature Tfonset (or Tf im as defined in standard 11357-3: 2013) which corresponds to the temperature at which the endothermic melting peak “takes off” from the baseline.
  • the heating system (2) makes it possible to preheat the strip before depositing and to bring the thermoplastic polymer of this strip, being deposited and of the strip on which it is deposited, to a temperature close to its melting point.
  • it is semi-crystalline but in any case higher than Tf, in particular at a temperature beyond the end of melting of the thermoplastic polymer otherwise called melting endset and denoted Tf in dset, in particular at Tf in dset + 10°C or close to its Tg if it is amorphous but in any event higher than the Tg, in particular at a temperature Tg +100°C, in particular higher than 150°C.
  • (1) makes it possible to preheat the strip before removal and to bring the thermoplastic polymer of this strip during removal to a temperature close to its melting point s 'it is semi-crystalline but in any case higher than Tf, in particular at a temperature beyond the end of melting of the thermoplastic polymer otherwise called melting endset and denoted Tf in dset, in particular at Tf in dset + 10°C or close to its Tg if it is amorphous but in any event higher than the Tg, in particular at a temperature Tg + 100°C, in particular higher than 150°C and (2) aims to maintain the thermoplastic polymer of said strip at a temperature close to its crystallization temperature, Te, as determined by differential scanning calorimetry (DSC) according to standard 11357-3:2013 if it is semi-crystalline but in any case between Te - 60°C and Te + 20°C, preferably between Te - 20°C and Te + 10°C in particular at a temperature equal to Te or close to
  • Te - 60°C” or “Te -20°C” means a temperature having a value of that of Te at which 60°C or 20°C are subtracted and the expression “Te + 20°C” or “Te + 10°C” means a temperature having a value of that of Te to which 20°C or 10°C are added.
  • the two systems (1) and (2) can be associated if necessary with at least one secondary heating system chosen from among the systems (3), (4), (5) and (6).
  • thermoplastic polymer when it is semi-crystalline can then have a crystallinity rate close to 0.
  • the degree of crystallinity of a semi-crystalline polymer can be determined by DSC by determining the enthalpy of fusion and comparing the enthalpy of fusion obtained with that of the same semi-crystalline polymer having a crystallinity of 100%.
  • the preheating system (1) can be an IR, light-emitting diode (LED), hot air, ultraviolet (UV), nitrogen torch (N2) or laser heating system.
  • LED light-emitting diode
  • UV ultraviolet
  • N2 nitrogen torch
  • the preheating system (1) is an IR heating system.
  • the preheating system (2) can be an IR, light-emitting diode (LED), hot air, ultraviolet (UV), nitrogen torch (N2) or laser heating system.
  • LED light-emitting diode
  • UV ultraviolet
  • N2 nitrogen torch
  • the heating system (2) is an IR heating system.
  • the heating system (3) makes it possible to heat the strip being deposited to a temperature close to the crystallization temperature of the resin, just after its deposit on the previous one and to help perfect the contact between the strip deposited on the above, which promotes a good quality weld between the two layers.
  • the heating system (4) is a system for post-heating said strip n of impregnated fibrous materials after depositing said strip n on said support, which helps the crystallization of the resin by maintaining the strip n, after depositing and welding on the n-1 band, at a temperature close to the crystallization temperature of the resin.
  • the heating system (5) of said support as well as the preheating system (6) of the strip n-1 of impregnated fibrous material previously deposited before depositing said strip n of fibrous material both promote the quality of the weld of the strip n on strip n-1 by maintaining the temperature or by heating the surface on which strip n is going to be deposited at a temperature close to the crystallization temperature of the resin.
  • These two heating means (5) and (6) can also help promote the crystallization of the resin
  • the heaters (3), (4), (5) and (6) aim to maintain the thermoplastic polymer of said strip at a temperature close to its crystallization temperature, Te, as determined by differential scanning calorimetry (DSC) according to the standard 1 1357-3: 2013 if it is semi-crystalline but in any case between Te - 60 ° C and Te + 20 C, preferably between Te - 20 ° C and Te + 10 ° C in particular ® at a temperature equal to Te or close to its Tg if it is amorphous but in any event lower than the Tg, in particular at a temperature equal to Tg - 10°Q preferably Tg - 20°C
  • the heaters (3), (4), (5) and (6) are necessarily used in association with at least one of the heaters (1) or (2) but are optional when the two heating systems (1) and (2) are present.
  • the preheating system (3) can be an IR, light emitting diode (LED), hot air, ultra-violet (UV), nitrogen (N2) or laser torch heating system or a heating pressure roller system .
  • LED light emitting diode
  • UV ultra-violet
  • N2 nitrogen
  • laser torch heating system or a heating pressure roller system .
  • the temperature of the heated pressure roller can be regulated (heating cartridges, integrated cooling system, etc.) to avoid cooling or overheating the strip in contact with it.
  • the pressure applied can also be controlled by managing the mechanical tension applied when laying the strip (braking system on the creel associated with the robot or other).
  • the heating system (3) is an IR heating system
  • the degree of crystallinity of the thermoplastic polymer in the strip after deposition of the latter is greater than 5%, in particular greater than 10%, preferentially greater than 15%;
  • the heating system (5) of the support can be carried out by a heat transfer fluid or a direct current circulating in the support or a heating cartridge.
  • the temperature of the heat transfer fluid can be regulated by techniques known to those skilled in the art.
  • the power of the direct current makes it possible to regulate the temperature.
  • the temperature of the heating cartridge can be regulated by a conventional PID system, in particular by a temperature probe.
  • the heating system (2) heats up so as to maintain the thermoplastic polymer of the strip being deposited at a temperature close to its melting point s it is semi-crystalline but in any case higher than the Tf in dset, in particular at a temperature Tf in dset + 10°C or close to its Tg if it is amorphous, in particular at a temperature Tg 100° C during removal.
  • the preheating system (6) can be an IR, light-emitting diode (LED), hot air, ultraviolet (UV), nitrogen torch (N2) or laser heating system.
  • LED light-emitting diode
  • UV ultraviolet
  • N2 nitrogen torch
  • the preheating system (6) is an IR heating system
  • At least one of the heating systems is chosen from among a preheating system (1), a heating system (3) and a heating system (2).
  • at least one other heating system is chosen from among a post-heating system (4), a heating system (5) and a preheating system (6) and in particular the temperature of said at at least one other heating system (5) and (6) is between Te - 60°C and Te + 20°C and the temperature of said at least one other heating system (6) is less than Tf and in particular equal to Tm - 10°C.
  • the degree of crystallinity of the thermoplastic polymer in the strip after depositing the latter is greater than 5%, in particular greater than 10%, preferentially greater than at 15%.
  • a heating system (3) is also present, said heating system (3) being a heating pressure roller.
  • two heating systems are present, one being a heating system (2) and the other a heating system (5), a laser heating system being excluded from said heating system ( 2) and in particular the temperature of said at least one other heating system (5) is between Te - 60 ° C to Te + 20 ° C, preferably between Te - 20 ° C and Te + 10 ° C in particular ® at a temperature equal to Te.
  • said heating system (3) is a heated pressure roller.
  • two heating systems are present, namely a heating system (3), in particular by heating pressure roller and a post-heating system (4), in particular by IR are present and in particular the temperature of said heating system (4) is between Te - 60°C and Te + 20°C, preferably between Tc - 20°C and Tc + 10°C, in particular at a temperature equal to Te,
  • two heating systems are present, namely a heating system (3), in particular by heating pressure roller and a preheating system (6), in particular by IR are present and in particular the temperature of said preheating system (6) is in any event lower than Tf, in particular at a temperature equal to Tf - 10°C.
  • three heating systems are present, namely a preheating system (1), in particular by IR, a preheating system (6), in particular by IR and a heating system (3 ), in particular by heating pressure roller are present and in particular the temperature of said preheating system (6) is in any case lower than the Tf, in particular at a temperature equal to Tf - 10°C.
  • a heating system (2) in particular by laser
  • a post-heating system (4) in particular by IR
  • a preheating system (6) in particular by IR
  • a heating system (5) of the support are present and in particular the temperature of said heating system (4), of said heating system (5) is comprised from Te - 60°C to Te + 20°C, preferably between Tc - 20°C and Tc + 10°C in particular at a temperature equal to Te and that of said heating system (6) is in any case lower than the Tf, in particular at a temperature equal to Tf - 10 0 C.
  • heating systems are present, namely a heating system (2), in particular by laser, a post-heating system (4), in particular by IR, a preheating system ( 6), in particular by IR and a heating system (3) by heating pressure roller are present and in particular the temperature of said heating system (4) is comprised from Te - 60°C to Te + 20°C, preferably understood between Tc - 20°C and Tc + 10°C in particular at a temperature equal to Te, and that of said heating system (6) is in any case lower than the Tf, in particular at a temperature equal to Tf - 10 °C.
  • non-reactive thermoplastic polymer means that the molecular weight is no longer likely to change significantly, that is to say that its molecular mass in number (Mn) changes by less than 25% when it is placed implemented and therefore corresponds to the final polyamide polymer of the thermoplastic matrix.
  • Mn masses can also be determined by size exclusion chromatography or by NMR.
  • said polyamide is chosen from aliphatic polyamides, cycloaliphatic polyamides and semi-aromatic polyamides (polyphthalamides).
  • said aliphatic polyamide prepolymer is chosen from:
  • T stands for terephthalic acid
  • MXD stands for m-xylylene diamine
  • MPMD stands for methylpentamethylene diamine
  • BAC stands for bis(aminomethyl)cyclohexane.
  • said polymer is a semi-crystalline polymer.
  • said at least thermoplastic polymer is selected from polyamides, aliphatic polyamides, cycloaliphatic polyamides and semi-aromatic polyamides (polyphthalamides), PEKK, PEI and a mixture of PEKK and PEI.
  • Said fibrous material comprises continuous fibers selected from carbon fibers, glass, silicon carbide, based on basalt or basalt, silica, natural fibers in particular flax or hemp, lignin, bamboo, sisal, silk, or cellulose, in particular viscose, or amorphous thermoplastic fibers with a glass transition temperature Tg higher than the Tg of said polymer or of said mixture of polymers when the latter is amorphous or higher than the Tm of said polymer or of said mixture of polymers when the latter is semi-crystalline, or semi-crystalline thermoplastic fibers with a melting point Tf greater than the Tg of said polymer or of said mixture of polymers when the latter is amorphous or greater than the Tm of said polymer or of said mixture of polymers when the latter is semi-crystalline, or a mixture of two or more of said fibers, preferably a mixture of carbon, glass or ca silicon rbide, especially carbon fibers.
  • the fibers that can enter into the composition of the fibrous materials can have different linear basis weights or title or titration or “tex” and/or be in different numbers in the rovings.
  • the most conventionally used wicks are composed of 600 to 4800 tex for glass fibers and 3000 (3K), 6000 (6K), 12000 (12K), 24000 (24K), 48000 (48K), 50,000 ( 50K) or 400,000 (400K) fibers for carbon fibers.
  • Carbon fibers generally have a diameter close to 7-8 ⁇ m and glass fibers a diameter of approximately 13, 15, 17 or 20 ⁇ m for example.
  • the present invention relates to the use of the method as defined above, for the manufacture of three-dimensional composite parts, by automatic laying of said strips by means of a robot.
  • said composite part with a high degree of consolidation is characterized in that the average molecular mass of the amorphous or semi-crystalline polymer is between 11,000 and 12,000 g/mol and the degree of crystallinity of said polymer is up to 25%. Said composite part may then subsequently require solid phase polycondensation (SSP).
  • SSP solid phase polycondensation
  • said composite part with a high degree of consolidation is characterized in that the polymer is semi-crystalline and has an average molecular mass of between 15,000 and 25,000 g/mol and the degree of crystallinity of said polymer is between from 15 to 35%.
  • FIG. 2 presents the various possible heating systems (4) and (6) joined together on a cylindrical and rotating support optionally presenting a heating system (5).
  • FIG. 3 presents the different heating systems (2) by laser and (3) heating pressure roller on a cylindrical and rotating support having a heating system (5) (heating mandrel).
  • FIG. 4 presents a composite part obtained according to example 2 of the invention.
  • FIG. 5 presents a composite part obtained according to comparative example 3.
  • FIG. 6 presents the micrograph of a strip deposited with a consolidation roller.
  • FIG. 7 shows the micrograph of a strip deposited without a consolidation roller.
  • Example 1 Preparation of strips of fibrous material.
  • the strips of fibrous material were prepared according to WO2018/234436: example 2 (strip of fibrous material (Zoltek carbon fiber, 50K) monolayer impregnated with MPMDT/10T) and example 3 for the porosity rate.
  • the fiber content by volume of the strip of impregnated fibrous material obtained is
  • the Te of this polymer is equal to 210°C.
  • Example 2 Preparation of common parts strips of example 1 on a heating medium with a system of is a heated pressure roller and a system of i is a by laser as described in fiaure 3.
  • (3) is a heating pressure roller heating system. It consists of a metal cylinder mounted on rollers to allow its free rotation, all mounted on the robotic removal head. It incorporates a heating system using heating cartridges integrated inside the metal roller and whose temperature is controlled by thermocouples integrated into the heating cartridges.
  • the power is transmitted to the wireless cartridges by a so-called brushless system, allowing free rotation/revolution of the metal cylinder around its axis while being able to heat it without risk of breaking the power connector wires.
  • the pressure exerted by the pressure roller on the strip being deposited is exerted by the robotic head and measured using pressure sensors.
  • (5) is a metal mandrel on which the tapes are placed to manufacture the tube by filament winding.
  • Its heating system is identical to that of system (3), except that the heating cartridges are longer and more numerous to heat the entire mandrel 4m in length evenly.
  • the rotation of the chuck is ensured by a brushless motor included in the mechanical support system of the chuck, allowing the chuck to rotate on itself on its longitudinal axis of revolution at an imposed speed, a speed which determines the manufacturing speed of the composite part. This speed is adapted to that of the depositing robot so that the latter deposits the tape at the appropriate speed.
  • (2) is a LASER heating system. This is mounted on the head of the robot, the same head that maintains the heating pressure roller and from which the taps are guided during removal. Its power is regulated via a temperature measurement by thermal camera pointed at the strip being deposited; the heating power increases if the band is too cold compared to the temperature set point requested by the operator. Conversely, it decreases if it is greater than this setpoint.
  • the incident LASER wave sent by the LASER arrives in the area to be heated (tape being deposited and interface tape being deposited/tape already deposited) with an angle theta (0); it is possible to orient the LASER to modify this angle and thus promote heating at the interface or more in favor of one or the other of the two surfaces to be brought into contact. Presentation of temperature measurement systems:
  • the heated mandrel and heated pressure roll temperatures are measured by the thermocouples built into these systems.
  • the temperature of the tape being deposited as well as that already deposited are indicated by thermal cameras.
  • the temperature of the tape being deposited is measured in a zone located just before contact with the pressure roller, ie at the very moment of contact with the layer of tapes already deposited.
  • variable parameters are:
  • the temperature of the deposited tape giving optimized results is 280°C, the major part of the heating power being provided by the laser to which it is necessary add the calories transmitted by the heated pressure roller (on the tape being deposited) and by the heating mandrel which heats the layer already deposited.
  • (5) is a metal mandrel on which the tapes are placed to manufacture the tube by filament winding. It incorporates a heating system using heating cartridges integrated inside the metal cylinder and whose temperature is controlled by thermocouples integrated into the heating cartridges.
  • the power is transmitted to the wireless cartridges by a so-called brushless system, allowing free rotation/revolution of the metal cylinder around its axis while being able to heat it without risk of breaking the power connector wires.
  • the heating cartridges are large enough and numerous enough to evenly heat the entire 4m long chuck.
  • the rotation of the mandrel is provided by a brushless motor included in the mechanical support system of the mandrel, allowing the mandrel to rotate on itself on its longitudinal axis of revolution at an imposed speed, a speed which determines the manufacturing speed of the composite part. This speed is adapted to that of the depositing robot so that the latter deposits the tape at the appropriate speed.
  • (2) is a LASER heating system. This is mounted on the head of the robot, the same head that holds the heating pressure roller and from which the taps are guided during removal. Its power is regulated via a temperature measurement by thermal camera pointed at the strip being deposited; the heating power increases if the belt is too cold compared to the temperature setpoint requested by the operator. Conversely, it decreases if it is greater than this setpoint.
  • the incident LASER wave sent by the LASER arrives in the zone to be heated (tape being deposited and interface tape being deposited/tape already deposited) with an angle theta (0); it is possible to orient the LASER to modify this angle and thus promote heating at the interface or more in favor of one or the other of the two surfaces to be brought into contact.
  • the heated chuck temperature is measured by the thermocouples built into this system.
  • the temperature of the tape being deposited as well as that already deposited are indicated by thermal cameras.
  • the temperature of the tape being deposited is measured in a zone located just before contact with the pressure roller, ie at the very moment of contact with the layer of tapes already deposited.
  • variable parameters are:
  • the temperature of the applied tape giving optimized results is 300°C, most of the heating power being supplied by the laser to which must be added the calories transmitted by the heating pressure roller (on the tape being applied ) but subtract the calories absorbed by the unheated pressure roller.
  • Example 4 comparison of mechanical properties? of the part of example 2 and that of example 3.
  • thermoplastic matrix The density of the thermoplastic matrix
  • the measurement of the fiber content is determined according to ISO 1172:1999 or by thermometric analysis (ATG) as determined for example in the document B. Benzler, Ap additionslabor, Mettler Toledo, Giesen, UserCom 1/2001.
  • Me air ⁇ a mass of the measured sample in air.

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Abstract

La présente invention concerne un procédé de préparation de pièces composites, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de dépose d'au moins une bande de matériau fibreux imprégnée d'un polymère thermoplastique sur un support, au moyen d'un système de chauffage principal choisis parmi les deux systèmes suivants: un système de préchauffage (1), et un système de chauffage (2), en association avec au moins un système de chauffage secondaire choisi parmi: un système de chauffage (3), un système de post chauffage (4), un système de chauffage (5), et un système de préchauffage (6), ou au moyen des deux systèmes de chauffage principaux (1) et (2) ledit support étant au préalable dépourvu de toute bande déposée ou comprenant au moins une bande n-1 dudit matériau fibreux, ledit polymère thermoplastique étant amorphe, dont la Tg est telle que Tg ≥ 80°C, ou semi-cristallin, dont la Tf ≥ 150°C, à l'exclusion du couple de chauffage suivants lorsque seuls deux systèmes de chauffage sont présents : un système de chauffage (2) et un système de chauffage (5) si le système de chauffage (2) est effectué par laser, et à l'exclusion des trois systèmes suivants lorsque seuls trois systèmes de chauffage sont présents : un système de préchauffage (1), un système de post chauffage (4) et un système de préchauffage (6) dans le cas d'un support cylindrique simultanément en rotation selon l'axe du cylindre et en translation, les trois systèmes étant par chauffage IR et les deux systèmes (4) et (6) étant réunis.

Description

DESCRIPTION :
TITRE DE L’INVENTION : PROCEDE DE PREPARATION DE PIECES COMPOSITES A FORT DEGRE DE CONSOLIDATION
[Domaine technique]
La présente demande de brevet concerne un procédé préparation de pièces composites à fort degré de consolidation et les pièces composites en tant que telles.
[Technique antérieure]
La fabrication d’une pièce composite à partir de ruban (ou tape) thermoplastique, déposé de telle façon que la pièce composite finale soit directement réalisées en une étape et présente une bonne résistance mécanique et une bonne cristallisation de la résine est difficilement réalisable.
La qualité de fabrication d’un composite thermoplastique et son ratio performances/coût sont dépendants de nombreux critères.
Dans le cas de fabrication de composites à partir de bandes imprégnées thermoplastiques, on trouve des critères liés à la santé matière du matériau (qualité d’imprégnation, contrôle système des paramètres dimensionnels etc...) ainsi qu’à sa nature (type de fibres, type de résine, taux de renfort etc...).
Plusieurs brevet ou demandes de brevets décrivent l’obtention de tape imprégnées par un polymère thermoplastiques tels que les demandes internationales WO 2018/234436, WO 2018/234439 ou WO 2018/234434.
La demande de brevet Européenne EP3711915 décrit un procédé de préparation de pièces en matériau composite par dépose de préformes en matériau composite sur un support rotatif et application locale d’un ruban thermoplastique localement sur les préformes.
La demande US2020/230872 un appareil de mise en forme sur lequel un matériau composite est formé.
La demande US2017/151731 décrit un appareil en mouvement sur une pièce composite thermosoudable.
On trouve aussi des critères liés à la dépose de ces bandes. Dans le cas de l’utilisation de résines semi-cristallines de haute température de transition vitreuse (Tg), une haute masse molaire est nécessaire pour obtenir de bonnes propriétés mécaniques, ce qui conduit à des problèmes de soudure des tapes entre elles car ce type de résine de haute masse molaire et de haute Tg est également de haute viscosité. En outre, les vitesses de cristallisation de ce type de résines semi-cristallines à haute Tg sont généralement lentes et empêchent qu’un procédé réalisant une consolidation in situ du composite formé, soit suffisamment productif pour être économiquement viable.
Dans le domaine aéronautique, pour la fabrication de pièces à hautes performances, on peut utiliser des technologies de placement de bandes automatisé ou ATL (Automated Tape Laying). Cette famille système de procédés se décline en plusieurs technologies comme le placement de fibres (AFP, Automated Fibre Placement), l’enroulement de tapes (pour la fabrication de pièces à géométrie de rotation) etc... Des robots viennent dérouler et placer des bandes pré imprégnées en des endroits bien précis au moyen d’un système robotisé. Ce dernier se décline généralement en un bras robotisé et multiaxial au bout duquel est fixé une tête de dépose au sein de laquelle défilent les bandes pré imprégnées. La tête sert à guider ces bandes mais aussi à les découper au moment du changement de trajectoire du robot lors de la fabrication de la pièce. Elle comprend aussi généralement un rouleau préhenseur permettant d’appliquer de la pression sur la bandes lors de sa dépose. Enfin, elle est équipée d’un ou plusieurs moyens de chauffage permettant de chauffer la bande imprégnée afin de fondre le polymère qu’elle contient et permettant ainsi de la faire adhérer sur la bande ou le support sur laquelle elle est déposée.
Plusieurs moyens de chauffage peuvent être utilisés sur cette tête de dépose : Laser, Diode électroluminescente ou LED, Ultra Violet (UV), source d’air chaud, infrarouge (IR) etc... Ils chauffent la nappe en cours de dépose et parfois ils chauffent aussi légèrement le support sur lequel sont déposées les bandes pour faciliter l’adhésion et améliorer la qualité du composite déposé.
En dépose à plat, pour la fabrication de préformes composites en 2,5D, comme en procédé AFP par exemple, il est possible d’utiliser des moyens de chauffage continus du support sur lequel sont déposées les bandes. Mais ce n’est que limité et très difficilement extrapolable à la réalisation de pièces de grandes dimensions. En dépose de tapes par enroulement, ces systèmes de mandrins chauffants ne sont pas utilisés industriellement; ils ne le sont pas du tout en fabrication de réservoirs de stockage d’hydrogène.
La qualité de consolidation des préformes issues de ces procédés de dépose dépend donc énormément de la thermique appliquée à ces bandes lors de la dépose. Mais aussi de la réponse de la matière déposée vis-à-vis de cette thermique. Une bande cristallisée et/ou dont la matrice thermoplastique cristallise très rapidement sera difficile à faire adhérer parfaitement sur la couche inférieure froide déjà déposée. Par ailleurs, la mobilité des chaînes moléculaires, nécessaire pour réaliser une bonne soudure des tapes n’est pas suffisante sous la Tg et la difficulté de soudure sur la couche inférieure froide est donc amplifiée si la matrice polymère est une matrice à haute Tg et/ou que la thermique de la couche inférieure est peu contrôlée. On entend par couche inférieure froide une couche qui est uniquement réchauffée superficiellement en surface par la tête de dépose du robot, au moment de la soudure et qui refroidit très rapidement après le passage de la tête de dépose du robot. Une mauvaise consolidation dans ces étapes de dépose est généralement néfaste pour les propriétés finales du composites, en termes de performances mécaniques notamment. L’étape finale système de réalisation du composite est sa consolidation. Elle peut avoir lieu après l’étape de dépose de bandes (autoclave, presse chauffante, consolidation en étuve, sous vide etc...). Mais elle peut aussi avoir lieu pendant la dépose des bandes ; c’est la consolidation en ligne ou in-situ.
C’est primordial dans le cas de la fabrication de (pré)formes complexes et donc difficiles à consolider a posteriori (réservoir, tubes creux, pièces à courbures multiples etc...) de maîtriser la consolidation de la pièce pendant sa dépose. Cette consolidation doit non seulement être de bonne qualité mais elle doit aussi être homogène sur toute la pièce. Ce dernier aspect est très largement conditionné par la gestion d’une qualité de bandes initiale homogène mais aussi par la gestion de la thermique du procédé au cours de la dépose.
Dans le cas par exemple de la fabrication d’un réservoir de stockage d’hydrogène, les bandes sont généralement chauffées de la même manière qu’elles soient placées sur la partie horizontale du cylindre ou au niveau des embases malgré le fait que la vitesse de dépose de ces bandes change dans ces zones de dépose. La gestion de la thermique de la bande qui arrive donc au contact du support n’est donc pas maîtrisée, entraînant la formation de disparités de consolidation sur la pièce finale.
Il est donc nécessaire de remédier aux inconvénients ci-dessus.
La présente invention concerne donc un procédé de préparation de pièces composites à fort degré de consolidation comprenant n bandes de matériau fibreux imprégné d’un polymère thermoplastique déposées sur un support, caractérisé en ce qu’il comprend une étape de dépose d’au moins une bande de matériau fibreux imprégnée d’un polymère thermoplastique sur un support, au moyen d’un système de chauffage principal choisis parmi les deux systèmes suivants: un système de préchauffage (1 ) de ladite bande de matériaux fibreux imprégnée avant dépose de ladite bande sur ledit support et un système de chauffage de ladite bande de matériaux fibreux imprégnée sur sa face interne (2) au point de contact de ladite bande avec ledit support, en association avec au moins un système de chauffage secondaire choisi parmi les quatre suivants : un système de chauffage de ladite bande de matériaux fibreux imprégnée sur sa face externe (3) au point de contact de ladite bande avec ledit support, un système de post chauffage (4) de ladite bande n de matériaux fibreux imprégnée après dépose de ladite bande n sur ledit support, un système de chauffage (5) dudit support, et un système de préchauffage de la bande n-1 de matériaux fibreux imprégnée (6) préalablement déposée avant dépose de ladite bande n de matériau fibreux, ou au moyen des deux systèmes de chauffage principaux (1 ) et (2) optionnellement associés à au moins l’un des quatre systèmes secondaires (3), (4), (5) et (6), ledit support étant au préalable dépourvu de toute bande déposée ou comprenant au moins une bande n-1 dudit matériau fibreux imprégné d’un polymère thermoplastique préalablement déposée, lesdits au moins deux systèmes de chauffage étant présents pour augmenter l’adhésion de ladite bande sur le support ou sur la bande n-1 préalablement déposée, ledit polymère thermoplastique étant un polymère amorphe, dont la température de transition vitreuse est telle que Tg > 80 °C, notamment Tg> 100 °C, en particuliers 120 °C, notamments 140°C, ou un polymère semi-cristallin, dont la température de fusion Tf > 150°C, la température de ladite bande n à déposer étant constante tout au long de sa dépose sur ledit support, à l’exclusion du couple de chauffage suivants lorsque seuls deux systèmes de chauffage sont présents : un système de chauffage (2) et un système de chauffage (5) si le système de chauffage (2) est effectué par laser, et à l’exclusion des trois systèmes suivants lorsque seuls trois systèmes de chauffage sont présents : un système de préchauffage (1 ), un système de post chauffage (4) et un système de préchauffage (6) dans le cas d’un support cylindrique simultanément en rotation selon l’axe du cylindre et en translation, les trois systèmes étant par chauffage infra rouge et les deux systèmes (4) et (6) étant réunis.
Dans un mode de réalisation, ledit procédé défini ci-dessus est aussi à l’exclusion des trois systèmes suivants lorsque uniquement trois systèmes de chauffage sont présents : un système de préchauffage (1 ) de ladite bande de matériaux fibreux imprégnée avant dépose de ladite bande sur ledit support, un système de chauffage de ladite bande de matériaux fibreux imprégnée sur sa face interne (2) au point de contact de ladite bande avec ledit support et un système de chauffage de ladite bande de matériaux fibreux imprégnée sur sa face externe (3) au point de contact de ladite bande avec ledit support.
Dans un mode de réalisation, ledit procédé défini ci-dessus est caractérisé par un système de chauffage principal choisi parmi les deux systèmes suivants: un système de préchauffage (1 ) de ladite bande de matériaux fibreux imprégnée avant dépose de ladite bande sur ledit support et un système de chauffage de ladite bande de matériaux fibreux imprégnée sur sa face interne (2) au point de contact de ladite bande avec ledit support, en association avec au moins un système de chauffage secondaire choisi parmi les trois suivants : un système de post chauffage (4) de ladite bande n de matériaux fibreux imprégnée après dépose de ladite bande n sur ledit support, un système de chauffage (5) dudit support, et un système de préchauffage de la bande n-1 de matériaux fibreux imprégnée (6) préalablement déposée avant dépose de ladite bande n de matériau fibreux, ou deux systèmes de chauffage principaux (1 ) et (2) optionnellement associés à au moins l’un des trois systèmes secondaires (4), (5) et (6), ledit support étant au préalable dépourvu de toute bande déposée ou comprenant au moins une bande n-1 dudit matériau fibreux imprégné d’un polymère thermoplastique préalablement déposée.
L’expression « un système de chauffage de ladite bande de matériaux fibreux imprégnée sur sa face interne (2) au point de contact de ladite bande avec ledit support » signifie donc que ladite bande de matériaux fibreux imprégnée à déposer est chauffée sur sa face interne au point de contact de ladite bande avec ledit support.
L’expression « un système de chauffage de ladite bande de matériaux fibreux imprégnée sur sa face externe (3) au point de contact de ladite bande avec ledit support » signifie donc que ladite bande de matériaux fibreux imprégnée à déposer est chauffée sur sa face externe au point de contact de ladite bande avec ledit support.
Dans toute la description, le terme ruban ou bande ou bandes de matériau fibreux imprégné d’un polymère thermoplastique ou tape peut être utilisé et désigne la même chose.
Les bandes peuvent être déposées selon l’un des procédés de l’art antérieur décrit ci-dessus. La dépose peut être notamment effectuée avec une tête de dépose et/ou un guide.
Le terme « support » désigne toute base sur laquelle les bandes n sont successivement déposées. Lorsque qu’une première bande est déposée sur ledit support, le support est nu, c’est-à-dire dépourvu de tout matériau autre que le matériau constitutif dudit support. Après dépôt d’une première bande, celle-ci peut recouvrir en totalité la surface totale du support.
Une bande déposée sur ledit support nu ou sur une précédente bande déjà déposée présente une face interne et une face externe, la face interne étant en contact avec ledit support ou la face externe de la précédente bande déjà déposée.
Dans ce cas la bande n suivante déposée par le procédé de l’invention recouvre la bande n-1 préalablement déposée et ainsi de suite.
Elle peut également ne recouvrir que partiellement la surface du support. Dans ce cas la bande n suivante déposée par le procédé de l’invention ne recouvre pas la bande n-1 précédente mais est déposée sur le support et chevauche ou non ou est accolée à la bande n-1 déposée préalablement sur le support.
Dans le cas où la bande n suivante déposée par le procédé de l’invention chevauche ou est accolée à la bande n-1 déposée préalablement sur le support, il en est ainsi jusqu’à recouvrir la totalité du support avec une seule épaisseur de bande.
Dans le cas où la bande n suivante déposée par le procédé de l’invention ne chevauche pas et n’est pas accolée à la bande n-1 déposée préalablement sur le support, il en est ainsi jusqu’à l’autre extrémité du support et par conséquent plusieurs bandes sur une seule épaisseur de bande recouvrent partiellement le support. Les bandes suivantes seront déposées sur la première série de bande (les plusieurs bandes sur une seule épaisseur de bande) soit de la même manière soit de manière « croisée » au-dessus de la première série.
La dépose de bandes formant au préalable un tissu de bandes entrecroisées ou entrelacées est exclue de l’invention.
Le support peut avoir n’importe quelle forme mais en règle générale il est de forme plane, de forme 2.5 D ou cylindrique.
Des exemples de forme plane sont une forme plane carrée, rectangulaire.
Une forme 2.5 D signifie un écart à la forme plane, localement ou globalement, comme une coque comportant une courbure par exemple, dont les dimensions dans la 3ème dimension sont très inférieures aux dimensions dans les deux autres dimensions.
Lorsqu’il est de forme plane le support peut être fixe ou rotatif, en particulier fixe.
S’il est rotatif, l’axe de rotation n’est pas dans le plan du support et la tête de dépose de la bande qui permet la mise en contact de la bande et du support est animée d’un mouvement de translation dans le plan du support.
Lorsque le support est de forme 2.5 D, la tête de dépose de la bande qui permet la mise en contact de la bande et du support est animée d’un mouvement dans les 3 dimensions.
Le support peut être muni d’un système de chauffage secondaire (5).
Un exemple de système de chauffage (5) sur un support plan fixe, sans être limité à celui-ci est présenté à la figure 1 .
Par forme cylindrique il faut entendre un cylindre qui est une surface réglée dont les génératrices sont parallèles, c'est-à-dire une surface dans l'espace constituée de droites parallèles.
Lorsqu’il est cylindrique, le support peut être simultanément en rotation et en translation selon l’axe du cylindre tandis que la tête de dépose de la bande qui permet la mise en contact de la bande et du support est fixe.
Un exemple de systèmes de chauffage infra rouge (6) et (4) réunis en présence d’un support cylindrique rotation et en translation selon l’axe du cylindre (5) chauffant ou non, sans être limité à celui-ci est présenté à la figure 2.
Alternativement, lorsque le support est cylindrique, le support peut être en rotation selon l’axe du cylindre, tandis que la tête de dépose de la bande qui permet la mise en contact de la bande et du support est animée d’un mouvement de translation parallèle à l’axe du tube.
Le support peut être en n’importe quelle matière à condition qu’il résiste à la chaleur des différents moyens de chauffage et de la chaleur de la bande elle-même, ainsi qu’aux efforts de pression exercés lors de la dépose des bandes. Le support peut être un matériau thermoplastique ou thermodur ou un matériau métallique ou un matériau céramique ou une combinaison de ces matériaux, à la condition de remplir lesdites conditions précitées.
Les Inventeurs ont donc trouvé de manière inattendue qu’un procédé comprenant une étape de dépose d’au moins une bande de matériau fibreux imprégnée d’un polymère thermoplastique sur un support, au moyen d’au moins deux systèmes de chauffage choisis parmi cinq systèmes particuliers permettait :
D’obtenir des pièces à haut de degré de consolidation par procédé de dépose de bandes imprégnées d’un polymère thermoplastique ou d’un mélange de polymères thermoplastiques dont un au moins comporte une haute température de transition vitreuse en contrôlant parfaitement la thermique de dépose des bandes en faisant varier la puissance de chauffage de la bande en fonction de la vitesse de dépose ; permettant ainsi d’avoir une bande qui ait une température équivalente en tout point de la pièce composite au moment de sa dépose, quelle que soit la forme de cette pièce et en contrôlant parfaitement la thermique des bandes déjà déposées ou à déposer par ajout d’autres moyens de chauffages de la pièce en cours de dépose.
D’obtenir des pièces à haut de degré de consolidation par procédé de dépose de bandes imprégnées d’un polymère thermoplastique ou d’un mélange de polymères thermoplastiques dont un au moins comporte une haute température de transition vitreuse et ayant une porosité faible avec ou sans post-consolidation de cette pièce.
D’obtenir des pièces à haut de degré de consolidation par procédé de dépose de bandes imprégnées d’un polymère thermoplastique ou d’un mélange de polymères thermoplastiques dont un au moins comporte une haute température de transition vitreuse en contrôlant parfaitement la thermique de dépose des bandes dans le sens où seule la quantité de calories nécessaires à la bande est fournie avec une dégradation thermique du polymère thermoplastique limitée.
D’obtenir des pièces à haut de degré de consolidation par procédé de dépose de bandes imprégnées d’un polymère thermoplastique ou d’un mélange de polymères thermoplastiques dont un au moins comporte une haute température de transition vitreuse en contrôlant parfaitement la pression de dépose des bandes pour éviter notamment la déconsolidation de ces bandes au moyen par exemple d’un rouleau presseur chauffant dont la pression appliquée sur la tape est contrôlée.
D’obtenir des pièces à haut de degré de consolidation par procédé de dépose de bandes imprégnées d’un polymère thermoplastique ou d’un mélange de polymères thermoplastiques dont un au moins comporte une haute température de transition vitreuse et ayant une cinétique de cristallisation très lente pour optimiser l’adhésion entre deux plis successifs déposés et comportant un dispositif de chauffage permettant également optimiser la cristallisation de la résine après dépose.
D’obtenir des pièces à haut de degré de consolidation par procédé de dépose de bandes imprégnées d’un polymère thermoplastique ou d’un mélange de polymères thermoplastiques dont un au moins comporte une haute température de transition vitreuse et ayant une viscosité initiale faible pour optimiser l’adhésion entre deux plis successifs déposés.
D’obtenir des pièces à haut de degré de consolidation par procédé de dépose de bandes imprégnées thermoplastiques à haute température de transition vitreuse et ayant un potentiel de remontée en masse important pour optimiser les propriétés mécaniques finales de la pièce; la consolidation et la remontée en masse maximales étant possiblement obtenues lors de la dépose des bandes et sans post-consolidation.
D’obtenir des pièces à haut de degré de consolidation par procédé de dépose de bandes imprégnées d’un polymère thermoplastique ou d’un mélange de polymères thermoplastiques dont un au moins comporte une haute température de transition vitreuse qui soient consolidées de manière équivalente en tout point de la pièce composite.
D’obtenir des pièces à haut de degré de consolidation par procédé de dépose de bandes imprégnées d’un polymère thermoplastique ou d’un mélange de polymères thermoplastiques dont un au moins comporte une haute température de transition vitreuse qui soient utilisées dans des domaines nécessitant des hautes performances notamment mécaniques comme les pièces de structure automobile ou aéronautique, les réservoirs de stockage de gaz (hydrogène, azote etc...), le sport et loisir, les transports en général etc...
S’agissant des bandes ou ruban
Dans la présente description, on entend par « matériau fibreux » un assemblage de fibres unitaires de renfort. Après imprégnation par le polymère thermoplastique (la résine), il se présente sous forme de bande ou ruban unitaire.
On entend par bande ou ruban unitaire, un feuillard qui est un semi produit de faible épaisseur, non calibré en largeur et en épaisseur, et composé d’une seule mèche de fibres, ou une tape mince composée d’une ou plusieurs mèches de fibres, calibrée en épaisseur et en largeur, ou une tape calibrée en épaisseur et en largeur et dont l’épaisseur est supérieure à 100pm. Ces tapes peuvent également être obtenues après une étape optionnelle de découpe longitudinale autrement appelée slitting, d’une tape initialement de plus grande largeur.
Il existe sur le support soit une seule couche d’une ou plusieurs bandes, en particulier de même épaisseur, soit plusieurs couches d’une ou plusieurs bandes, en particulier de même épaisseur, chaque bande de chaque couche de bande adhérant au moins partiellement avec une bande de la couche de bande inférieure.
Avantageusement toutes les bandes déposées ont la même épaisseur, à la tolérance de fabrication près. Avantageusement, les bandes déposées présentent une épaisseur inférieure ou égale à 300pm, plus avantageusement inférieure à 250pm.
Avantageusement, le ruban ou bande a une épaisseur inférieure ou égale à 150 pm, de préférence inférieure ou égale à 100 pm.
S’agissant des systèmes de chauffage
La figure 1 présente un exemple de différents systèmes de chauffage cités ci-dessus sur un support sans pour autant être limité à ceux-ci.
Ledit au moins un système de chauffage peut être choisi parmi un fluide caloporteur, le courant continu, une cartouche chauffante, un chauffage par induction, un rouleau presseur chauffant, une diode électroluminescente (LED), un infrarouge (IR), une source d’UV, de l’air chaud et un laser.
L’expression « ledit au moins un système de chauffage peut être choisi parmi ... » signifie donc que l’un ou plusieurs des systèmes de chauffage du procédé défini ci-dessus peut être choisi parmi les sources d’énergie défini ci-dessus, définies ci-dessus c’est-à-dire chauffage par conduction (fluide caloporteur, cartouche chauffante, rouleau presseur chauffant), par induction, par radiation (diode électroluminescente ou lampe IR ou UV ou laser) ou par convection (air chaud).
Avantageusement, lesdits systèmes de chauffage présents sont tous des systèmes infrarouges.
Avantageusement, lesdits systèmes de chauffage présents sont tous des systèmes infrarouges à l’exception du système de chauffage (5) dudit support qui peut être également choisi parmi un fluide caloporteur, le courant continu une cartouche chauffante et un chauffage par induction. L’étape de dépose d’au moins une bande de matériau fibreux imprégnée d’un polymère thermoplastique sur un support, s’effectue au moyen d’un système de chauffage principal choisis parmi les deux systèmes suivants: un système de préchauffage (1 ) de ladite bande de matériaux fibreux imprégnée avant dépose de ladite bande sur ledit support et un système de chauffage de ladite bande de matériaux fibreux imprégnée sur sa face interne (2) au point de contact de ladite bande avec ledit support, en association avec au moins un système de chauffage secondaire choisi parmi les quatre suivants : un système de chauffage de ladite bande de matériaux fibreux imprégnée sur sa face externe (3) au point de contact de ladite bande avec ledit support, un système de post chauffage (4) de ladite bande n de matériaux fibreux imprégnée après dépose de ladite bande n sur ledit support, un système de chauffage (5) dudit support, et un système de préchauffage de la bande n-1 de matériaux fibreux imprégnée (6) préalablement déposée avant dépose de ladite bande n de matériau fibreux, ou au moyen des deux systèmes de chauffage principaux (1 ) et (2) optionnellement associés à au moins l’un des quatre systèmes secondaires (3), (4), (5) et (6), lesdits systèmes étant détaillés ci-après :
- le système de préchauffage (1 ) de ladite bande de matériaux fibreux imprégnée avant dépose de ladite bande sur ledit support, ou le système de chauffage (2) qui permet de chauffer aussi bien la bande déposée que la bande à déposer juste avant sa dépose sur la précédente, sont utilisés l’un ou l’autre en association avec l’un au moins des chauffages (3), (4), (5) ou (6), Le système de chauffage (1 ) permet de préchauffer la bande avant dépose et d’amener le polymère thermoplastique de cette bande en cours de dépose à une température proche de son point de fusion s’il est semi-cristallin mais en tout état de cause supérieure à la Tf, en particulier à une température au-delà de la fin de fusion du polymère thermoplastique autrement appelée endset de fusion et notée Tfendset, en particulier à Tfendset + 10°C ou proche de sa Tg s’il est amorphe mais en tout état de cause supérieure à la Tg, en particulier à une température Tg + 100°C, notamment supérieure à 150C.
La température Tfendset (ou Tffm telle que définie dans la norme 11357-3 : 2013) correspond à la température à laquelle le pic endothermique de fusion rejoint la ligne de base (et donc en fin de fusion) par opposition à la température Tfonset (ou Tfim telle que définie dans la norme 11357-3 : 2013) qui correspond à la température à laquelle le pic endothermique de fusion « décolle » de la ligne de base.
Le système de chauffage (2) permet de préchauffer la bande avant dépose et d’amener le polymère thermoplastique de cette bande, en cours de dépose et de la bande sur laquelle elle est déposée, à une température proche de son point de fusion s’il est semi-cristallin mais en tout état de cause supérieure à la Tf, en particulier à une température au-delà de la fin de fusion du polymère thermoplastique autrement appelée endset de fusion et notée Tfendset, en particulier à Tfendset + 10°C ou proche de sa Tg s’il est amorphe mais en tout état de cause supérieure à la Tg, en particulier à une température Tg + 100°C, notamment supérieure à 150°C.
Si les systèmes de chauffage (1 ) et (2) sont présents ensembles alors (1 ) permet de préchauffer la bande avant dépose et d’amener le polymère thermoplastique de cette bande en cours de dépose à une température proche de son point de fusion s’il est semi-cristallin mais en tout état de cause supérieure à la Tf, en particulier à une température au-delà de la fin de fusion du polymère thermoplastique autrement appelée endset de fusion et notée Tfendset, en particulier à Tfendset + 10 °C ou proche de sa Tg s’il est amorphe mais en tout état de cause supérieure à la Tg, en particulier à une température Tg + 100°C, notamment supérieure à 150 °C et (2) vise à maintenir le polymère thermoplastique de ladite bande à une température proche de sa température de cristallisation, Te, telle que déterminée par analyse calorimétrique différentielle (DSC) selon la norme 11357-3 :2013 s’il est semi-cristallin mais en tout état de cause comprise entre Te - 60 °C et Te + 20 C, de préférence comprise entre Te - 20°C et Te + 10°C en particulier à une températue égale à Te ou proche de sa Tg s’il est amorphe mais en tout état de cause inférieure à la Tg, en particulier à une température égale à Tg - 10 ° G, de préférence Tg - 200 C et vice et versa.
L’expression « Te - 60°C » ou « Te -20°C » signifieune température ayant une valeur de celle de la Te à laquelle 60°C ou 20°C sont retranchés et l’expression « Te + 20°C » ou « Te + 10°C » signifie une température ayant une valeur de celle de la Te à laquelle 20°C ou 10°C sont ajoutés.
Les deux systèmes (1 ) et (2) peuvent être associés le cas échéant à au moins un système de chauffage secondaire choisi parmi les systèmes (3), (4), (5) et (6).
Ledit polymère thermoplastique lorsqu’il est semi-cristallin peut alors présenter un taux de cristallinité proche de 0.
Le taux de cristallinité d’un polymère semi-cristallin peut être déterminé par DSC par détermination de l’enthalpie de fusion et comparaison de l’enthalpie de fusion obtenue avec celle du même polymère semi-cristallin présentant une cristallinité de 100%.
Il peut également être déterminé par diffraction des rayons x.
Le système de préchauffage (1 ) peut être un système de chauffage IR, à diode électroluminescente (LED), à air chaud, ultra-violet (UV), torche à l’azote (N2) ou laser. Avantageusement, le système de préchauffage (1 ) est un système de chauffage IR.
Le système de préchauffage (2) peut être un système de chauffage IR, à diode électroluminescente (LED), à air chaud, ultra-violet (UV), torche à l’azote (N2) ou laser.
Avantageusement, le système de chauffage (2) est un système de chauffage IR.
Le système de chauffage (3) permet de chauffer la bande en cours de dépôt à une température proche de la température de cristallisation de la résine, juste après sa dépose sur la précédente et d’aider à parfaire le contact entre la bande déposée sur la précédente, ce qui favorise une soudure de bonne qualité entre les deux couches.
Le système de chauffage (4) est un système de post chauffage de ladite bande n de matériaux fibreux imprégnée après dépose de ladite bande n sur ledit support, qui aide à la cristallisation de la résine en maintenant la bande n, après dépose et soudure sur la bande n-1 , à une température proche de la température de cristallisation de la résine.
Le système de chauffage (5) dudit support ainsi que le système de préchauffage (6) de la bande n-1 de matériaux fibreux imprégnée préalablement déposée avant dépose de ladite bande n de matériau fibreux favorisent tous deux la qualité de la soudure de la bande n sur la bande n-1 en maintenant en température ou en réchauffant la surface sur laquelle la bande n va être déposée à une température proche de la température de cristallisation de la résine. Ces deux moyens de chauffage (5) et (6) peuvent également contribuer à favoriser la cristallisation de la résine
Les chauffages (3), (4), (5) et (6) visent à maintenir le polymère thermoplastique de ladite bande à une température proche de sa température de cristallisation, Te, telle que déterminée par analyse calorimétrique différentielle (DSC) selon la norme 1 1357-3 :2013 s’il est semi- cristallin mais en tout état de cause comprise entre Te - 60 °C et Te + 20 C, de préférence comprise entre Te - 20°C et Te + 10°C en particuli® à une température égale à Te ou proche de sa Tg s’il est amorphe mais en tout état de cause inférieure à la Tg, en particulier à une température égale à Tg - 10°Q de préférence Tg - 20 °C
Les chauffages (3), (4), (5) et (6) sont nécessairement utilisés en association avec l’un au moins des chauffages (1 ) ou (2) mais sont optionnels lorsque les deux systèmes de chauffage (1 ) et (2) sont présents.
Le système de préchauffage (3) peut être un système de chauffage IR, à diode électroluminescente (LED), à air chaud, ultra-violet (UV), torche à l’azote (N2) ou laser ou un système de rouleau presseur chauffant.
La température du rouleau presseur chauffant peut-être régulée (cartouches chauffantes, système de refroidissement intégré etc...) pour éviter de refroidir ou de surchauffer la bande à son contact avec ce dernier. La pression appliquée peut aussi être contrôlée en gérant la tension mécanique appliquée à la dépose de la bande (système de freinage sur le cantre associé au robot ou autre).
Avantageusement, le système de chauffage (3) est un système de chauffage IR ;
Avantageusement, le taux de cristallinité du polymère thermoplastique dans la bande après dépose de celle-ci est supérieur à 5%, en particulier supérieur à 10%, préférentiellement supérieur à 15% ;
Le système de chauffage (5) du support peut être effectué par un fluide caloporteur ou un courant continu circulant dans le support ou une cartouche chauffante.
La température du fluide caloporteur peut être régulée par les techniques connues de l’homme du métier.
La puissance du courant continu permet de réguler la température.
La température de la cartouche chauffante peut être régulée par un système classique en PID, notamment par une sonde de température.
Dans un mode de réalisation, le support est cylindrique et correspond à un tube creux et le chauffage peut être réalisé par l’intérieur du tube par un système IR.
Dans ce dernier mode de réalisation, la température du système de chauffage (5) est comprise de Te - 60 °C à Te + 20 °C, de préférence comprise ©tre Tc - 20°C et Tc + 10°C en particulier à une température égale à Te, Te étant la température de cristallisation telle que déterminée par analyse calorimétrique différentielle (DSC) selon la norme 11357-3 :2013, lorsque l’un ou plusieurs des systèmes de chauffage (1 ), (3) et (2) sont présents.
Avantageusement, le taux de cristallinité du polymère thermoplastique dans la bande après dépose de celle-ci est supérieur à 5%, en particulier supérieur à 10%, préférentiellement supérieur à 15% ; et
Ledit système de préchauffage (6) permet de réchauffer la bande qui vient d’être déposée (couche n-1 ) de manière à maintenir le polymère thermoplastique de ladite bande à une température proche de son point de fusion s’il est semi-cristallin mais en tout état de cause inférieure à la Tf, en particulier à une température Tf - 10°C ou proche de sa Tg s’il est amorphe mais en tout état de cause inférieure à la Tg, en particulier à une température Tg - 10°G Si un chauffage (3) est présent en même temps que le préchauffage (6) alors le système de chauffage (3) chauffe de manière à maintenir le polymère thermoplastique de la bande en cours de dépose à une température proche de son point de fusion s’il est semi-cristallin mais en tout état de cause supérieure à la Tfendset, en particulier à une température Tfendset + 10°C ou proche de sa Tg s’il est amorphe, en particulier à une température Tg + 100°C lors de la dépose.
Si un chauffage (2) est présent en même temps que le préchauffage (6) alors le système de chauffage (2) chauffe de manière à maintenir le polymère thermoplastique de la bande en cours de dépose à une température proche de son point de fusion s’il est semi-cristallin mais en tout état de cause supérieure à la Tfendset, en particulier à une température Tfendset + 10°C ou proche de sa Tg s’il est amorphe, en particulier à une température Tg 100°C lors de la dépose.
Le système de préchauffage (6) peut être un système de chauffage IR, à diode électroluminescente (LED), à air chaud, ultra-violet (UV), torche à l’azote (N2) ou laser. Avantageusement, le système de préchauffage (6) est un système de chauffage IR ;
Dans un mode de réalisation, la température du système de préchauffage (6) est comprise de Te - 60°C à Te + 20°C, de préférence comprise entreTc - 20°C et Te + 10°C en particulier à une température égale à Te, Te étant la température de cristallisation telle que déterminée par analyse calorimétrique différentielle (DSC) selon la norme 11357-3 :2013, lorsque l’un ou plusieurs des systèmes de chauffage (1 ), (3) et (2) sont présents.
Avantageusement, le taux de cristallinité du polymère thermoplastique dans la bande après dépose de celle-ci est supérieur à 5%, en particulier supérieur à 10%, préférentiellement supérieur à 15% ;
Dans un mode de réalisation, en plus des exclusions déjà définies ci-dessus, lorsque seuls deux systèmes de chauffage sont présents, alors les couples de système de chauffage suivants : un système de post-chauffage (4) avec un système de chauffage (5), un système de postchauffage (4) avec un système de préchauffage (6), et un système de chauffage (5) avec un système de préchauffage (6) sont exclus.
Dans un premier mode de réalisation, au moins un des systèmes de chauffage est choisi parmi un système de préchauffage (1 ), un système de chauffage (3) et un système de chauffage (2). Avantageusement, dans ce premier mode de réalisation, au moins un autre système de chauffage est choisi parmi un système de post chauffage (4), un système de chauffage (5) et un système de préchauffage (6) et en particulier la température desdits au moins un autre système de chauffage (5) et (6) est comprise de Te - 60 °C à Te + 20 °C et la température dudit au moins un autre système de chauffage (6) est inférieure à Tf et en particulier égale à Tf - 10°C.
L’expression « un autre système de chauffage » signifie que cet autre système de chauffage se rajoute au chauffage déjà présent.
Avantageusement, dans ce premier mode de réalisation avec de plus au moins un autre système de chauffage, le taux de cristallinité du polymère thermoplastique dans la bande après dépose de celle-ci est supérieur à 5%, en particulier supérieur à 10%, préférentiellement supérieur à 15%.
Avantageusement, la température de la bande n au moment de la dépose au point de contact de la bande n avec la bande n-1 est constante.
Dans un second mode de réalisation, deux systèmes de chauffage sont présents, l’un étant un système de préchauffage (1 ) de ladite bande de matériaux fibreux imprégnée avant dépose de ladite bande sur ledit support, et l’autre étant un système de post chauffage (4) ou un système de préchauffage (6), un système de chauffage par infrarouge (IR) étant exclu d’au moins l’un des deux systèmes de chauffage (1 ) et (4) ou (1 ) et (6) lorsqu’ils sont présents tous les deux et en particulier la température dudit au moins un autre système de chauffage (4) est comprise de Te - 60 °C à Te + 20 °C, de préférence emprise entre Tc - 20°C et Tc + 10°C en particulier à une température égale à Te, et celle dudit au moins un autre système de chauffage (6) est en tout état de cause inférieure à la Tf, en particulier à une température égale à Tf - 10°C
Avantageusement, dans ce second mode de réalisation, un système de chauffage (3) est de plus présent, ledit système de chauffage (3) étant un rouleau presseur chauffant.
Dans un troisième mode de réalisation, deux systèmes de chauffage sont présents, l’un étant un système de chauffage (2) et l’autre un système de chauffage (5), un système de chauffage par laser étant exclu dudit système de chauffage (2) et en particulier la température dudit au moins un autre système de chauffage (5) est comprise de Te - 60 °C à Te + 20 °C, de préférence comprise entre Te - 20°C et Te + 10°C en particuli® à une température égale à Te. Avantageusement, dans ce troisième mode de réalisation, ledit système de chauffage (3) est un rouleau presseur chauffant.
Dans un quatrième mode de réalisation, deux systèmes de chauffage sont présents, l’un étant un système de chauffage (2) et l’autre étant un système de post chauffage (4) ou un système de préchauffage (6), ledit système de chauffage (2) étant un chauffage laser et ledit système de post chauffage (4) ou système de préchauffage (6) étant un chauffage infrarouge et en particulier la température dudit au moins un autre système de chauffage (5) est comprise de Te - 60°C à Te + 20°C, de préférence comprise entreTc - 20°C et Te + 10°C en particulier à une température égale à Te. Avantageusement, dans ce quatrième mode de réalisation, un système de chauffage (5) est de plus présent.
Modes de réalisation préférés :
Dans une première variante de l’invention, deux systèmes de chauffage sont présents, à savoir un système de chauffage (2), en particulier par laser et un système de post-chauffage (4), en particulier par IR sont présents et en particulier la température dudit système de chauffage (4) est comprise de Te - 60°C à Te + 20°C, de préférene comprise entre Te - 20°C et Te + 10°C en particulier à une température égale à Te,
Dans une seconde variante de l’invention, deux systèmes de chauffage sont présents, à savoir un système de chauffage (2), en particulier par laser et un système de préchauffage (6), en particulier par I sont présents et en particulier la température dudit système de préchauffage (6) est en tout état de cause inférieure à la Tf, en particulier à une température égale à Tf - 10°C.
Dans une troisième variante de l’invention, deux systèmes de chauffage sont présents, à savoir un système de chauffage (3), en particulier par rouleau presseur chauffant et un système de post-chauffage (4), en particulier par IR sont présents et en particulier la température dudit système de chauffage (4) est comprise de Te - 60 °C à Te + 20 °C, de préférence comprise entre Tc - 20°C et Tc + 10°C erparticulier à une température égale à Te, Dans une quatrième variante de l’invention, deux systèmes de chauffage sont présents, à savoir un système de chauffage (3), en particulier par rouleau presseur chauffant et un système de préchauffage (6), en particulier par IR sont présents et en particulier la température dudit système de préchauffage (6) est en tout état de cause inférieure à la Tf, en particulier à une température égale à Tf - 10°C.
Dans une cinquième variante de l’invention, deux systèmes de chauffage sont présents, à savoir un système de chauffage (3), en particulier par rouleau presseur chauffant et un système de chauffage (5) du support sont présents et en particulier la température dudit système de chauffage (4) est comprise de Te - 60°C à Te + 20 °C, de préférence comprise entre Te - 20°C et Te + 10°C en particulier à uneémpérature égale à Te, Dans une sixième variante de l’invention, trois systèmes de chauffage sont présents, à savoir un système de chauffage (2), en particulier par laser, un système de post-chauffage (4), en particulier par IR et un système de chauffage (5) du support sont présents et en particulier la température dudit système de chauffage (4) et dudit système de chauffage (5) est comprise de Te - 60°C à Te + 20°C, de préférence comprise erlre Te - 20°C et Te + 10°C en particulier à une température égale à Te,
Dans une septième variante de l’invention, trois systèmes de chauffage sont présents, à savoir un système de chauffage (2), en particulier par laser, un système de préchauffage (6), en particulier par IR et un système de chauffage (5) du support sont présents et en particulier la température dudit système de chauffage (5) est comprise de Te - 60 °C à Te + 20 °C, de préférence comprise entre Tc - 20°C et Tc + 10°C erparticulier à une température égale à Te, et celle dudit système de préchauffage (6) est en tout état de cause inférieure à la Tf, en particulier à une température égale à Tf - 10°C.
Dans une huitième variante de l’invention, trois systèmes de chauffage sont présents, à savoir un système de préchauffage (1 ), en particulier par IR, un système de post-chauffage (4), en particulier par IR et un système de chauffage (3), en particulier par rouleau presseur chauffant sont présents et en particulier la température dudit système de chauffage (4) est comprise de Te - 60°C à Te + 20°C, de préférence comprise entreTc - 20°C et Te + 10°C en particulier à une température égale à Te,
Dans une neuvième variante de l’invention, trois systèmes de chauffage sont présents, à savoir un système de préchauffage (1 ), en particulier par IR, un système de préchauffage (6), en particulier par IR et un système de chauffage (3), en particulier par rouleau presseur chauffant sont présents et en particulier la température dudit système de préchauffage (6) est en tout état de cause inférieure à la Tf, en particulier à une température égale à Tf - 10°C. Dans une dixième variante de l’invention, quatre systèmes de chauffage sont présents, à savoir un système de chauffage (2), en particulier par laser, un système de post-chauffage (4), en particulier par IR, un système de préchauffage (6), en particulier par IR et un système de chauffage (5) du support sont présents et en particulier la température dudit système de chauffage (4), dudit système de chauffage (5) est comprise de Te - 60°C à Te + 20°C, de préférence comprise entre Tc - 20°C et Tc + 10°C enparticulier à une température égale à Te et celle dudit système de chauffage (6) est en tout état de cause inférieure à la Tf, en particulier à une température égale à Tf - 100 C.
Dans une onzième variante de l’invention, quatre systèmes de chauffage sont présents, à savoir un système de chauffage (2), en particulier par laser, un système de post-chauffage (4), en particulier par IR un système de préchauffage (6), en particulier par IR et un système de chauffage (3) par rouleau presseur chauffant sont présents et en particulier la température dudit système de chauffage (4) est comprise de Te - 60 °C à Te + 20 °C, de préférence comprise entre Tc - 20°C et Tc + 10°C en particulier à uneémpérature égale à Te, et celle dudit système de chauffage (6) est en tout état de cause inférieure à la Tf, en particulier à une température égale à Tf - 10°C.
S’agissant du polymère thermoplastique
Le polymère thermoplastique peut être réactif ou non réactif.
L’expression « polymère thermoplastique non réactif » signifie que le poids moléculaire n’est plus susceptible d’évoluer significativement, c’est-à-dire que sa masse moléculaire en nombre (Mn) évolue de moins de 25% lors de sa mise en œuvre et correspond donc au polymère polyamide final de la matrice thermoplastique.
L’expression « pré-polymère thermoplastique réactif ou polymère thermoplastique réactif » signifie que le poids moléculaire est susceptible d’évoluer significativement, c’est-à-dire que sa masse moléculaire en nombre (Mn) évolue de plus de 25% lors de sa mise en œuvre et ne correspond donc pas au polymère polyamide final de la matrice thermoplastique.
La masse moléculaire moyenne en nombre Mn d’un polymère non réactif est supérieure à 10000 g/mol.
La masse moléculaire moyenne en nombre Mn d’un pré-polymère réactif est comprise de 5000 g/mol à moins de 10000 g/mol.
La masse moléculaire moyenne en nombre Mn dudit polymère final de la matrice thermoplastique est de préférence dans une plage allant de 10000 g/mol à 40000 g/mol, de préférence de 12000 g/mol à 30000 g/mol. Ces valeurs Mn peuvent correspondre à des viscosités inhérentes supérieures ou égales à 0,8 telle que déterminées dans le m-crésol selon la norme ISO 307:2007 mais en changeant le solvant (utilisation du m-crésol à la place de l’acide sulfurique et la température étant de 20 °C)
Les Mn sont déterminées en particulier par le calcul à partir du taux des fonctions terminales déterminé par titration potentiométrique en solution.
Les masses Mn peuvent également être déterminées par chromatographie d’exclusion stérique ou par RMN.
On entend par thermoplastique, ou par pré-polymère ou polymère thermoplastique, un matériau généralement solide à température ambiante, pouvant être semi-cristallin ou amorphe, et qui se ramollit lors d’une augmentation de température, en particulier après passage de sa température de transition vitreuse (Tg) et s’écoule à plus haute température lorsqu’il est amorphe, ou pouvant présenter une fusion franche au passage de sa température dite de fusion (Tf) lorsqu’il est semi-cristallin, et qui redevient solide lors d’une diminution de température en dessous de sa température de cristallisation (pour un semi-cristallin) et en dessous de sa température de transition vitreuse (pour un amorphe).
La Tg et la Tf sont déterminées par analyse calorimétrique différentielle (DSC) selon la norme 11357-2 :2013 et 1 1357-3 :2013 respectivement. Le polymère peut être un polymère amorphe présentant une température de transition vitreuse Tg supérieure ou égale à 80°C, notamment supérieure ou égale à 100°C, en particulier supérieure ou égale à 120 °C, notamment supérieure ou égale à 140 °C, ou est un polymère semi-cristallin dont la température de fusion Tf est supérieure 150 °C.
Avantageusement, ledit au moins polymère thermoplastique est sélectionné parmi : les poly(aryl éthercétones) (PAEK), en particulier le poly(étheréthercétone) (PEEK) ; les poly(aryl éthercétonecétone) (PAEKK), en particulier le poly(éthercétonecétone) (PEKK) ; les polyéther- imides (PEI) aromatiques ; les polyaryl sulfones, en particulier les polyphénylène sulfones (PPSU) ; les polyarylsulfures, en particulier les polyphénylène sulfures (PPS) ; les polyamides (PA), en particulier polyamides semi-aromatiques (polyphthalamides) éventuellement modifiées par unités urées ; les PEBA dont la Tf est supérieure à 150 °C, les polyacrylates en particulier le polyméthacrylate de méthyle (PMMA) ; les polyoléfines, en particulier le polypropylène, l’acide polylactique (PLA), l’alcool polyvinylique (PVA), et les polymères fluorés en particulier le polyfluorure de vinylidène (PVDF) ou le polytétrafluoroéthylène (PTFE) ou le polychlorotrifluoroéthylène (PCTFE); et leurs mélanges, notamment un mélange de PEKK et de PEI, de préférence de 90-10% en poids à 60-40% en poids, en particulier de 90-10% en poids à 70-30% en poids.
Avantageusement, ledit au moins polymère thermoplastique est sélectionné parmi les polyamides, les polyamides aliphatiques, les polyamides cycloaliphatiques et les polyamides semi-aromatiques (polyphthalamides), le PEKK, le PEI et un mélange PEKK et de PEI.
La nomenclature utilisée pour définir les polyamides est décrite dans la norme ISO 1874- 1 :2011 "Plastiques - Matériaux polyamides (PA) pour moulage et extrusion - Partie 1 : Désignation", notamment en page 3 (tableaux 1 et 2) et est bien connue de l’homme du métier. Le polyamide peut être un homopolyamide ou un copolyamide ou un mélange de ceux-ci. Pour des pièces de structure devant résister à des températures élevées, outre les polymères fluorés, on utilise avantageusement selon l’invention les PAEK Poly(ArylEthercétone) tels que les poly(éthercétones) PEK, le poly(étheréthercétone) PEEK, le poly(éthercétone cétone) PEKK, le Poly(éthercétoneéthercétonecétone) PEKEKK ou les PA de haute température de transition vitreuse Tg.
Avantageusement, ledit polyamide est choisi parmi les polyamides aliphatiques, les polyamides cycloaliphatiques et les polyamides semi-aromatiques (polyphthalamides).
Avantageusement, ledit prépolymère polyamide aliphatique est choisi parmi :
- le polyamide 6 (PA-6), le polyamide 11 (PA-1 1 ), le polyamide 12 (PA-12), le polyamide 66 (PA-66), le polyamide 46 (PA-46), le polyamide 610 (PA-610), le polyamide 612 (PA-612), le polyamide 1010 (PA-1010), le polyamide 1012 (PA-1012), le polyamide 1 1/1010 et le polyamide 12/1010, ou un mélange de ceux-ci ou un copolyamide de ceux-ci, et les copolymères blocs, notamment polyamide/polyéther (PEBA) et ledit polyamide semi- aromatique est un polyamide semi-aromatique, éventuellement modifié par des unités urées, notamment un PA MXD6 et un PA MXD10 ou un polyamide semi-aromatique de formule X/YAr, tel que décrits dans EP1505099, notamment un polyamide semi-aromatique de formule A/XT dans laquelle A est choisi parmi un motif obtenu à partir d'un aminoacide, un motif obtenu à partir d’un lactame et un motif répondant à la formule (diamine en Ca). (diacide en Cb), avec a représentant le nombre d’atomes de carbone de la diamine et b représentant le nombre d’atome de carbone du diacide, a et b étant chacun compris entre 4 et 36, avantageusement entre 9 et 18, le motif (diamine en Ca) étant choisi parmi les diamines aliphatiques, linéaires ou ramifiés, les diamines cycloaliphatiques et les diamines alkylaromatiques et le motif (diacide en Cb) étant choisi parmi les diacides aliphatiques, linéaires ou ramifiés, les diacides cycloaliphatiques et les diacides aromatiques.;
X.T désigne un motif obtenu à partir de la polycondensation d'une diamine en Cx et de l’acide téréphtalique, avec x représentant le nombre d’atomes de carbone de la diamine en Cx, x étant compris entre 6 et 36, avantageusement entre 9 et 18, notamment un polyamide de formule A/6T, A/9T, A/10T ou A/11T, A étant tel que défini ci-dessus, en particulier un polyamide PA 6/6T, un PA 66/6T, un PA 6I/6T, un PA MPMDT/6T, un PA PA11/10T, un PA 11/6T/10T, un PA MXDT/10T, un PA MPMDT/10T, un PA BACT/10T, un PA BACT/6T, PA BACT/10T/6T.
T correspond à l’acide téréphtalique, MXD correspond à la m-xylylène diamine, MPMD correspond à la méthylpentaméthylène diamine et BAC correspond au bis(aminométhyl)cyclohexane.
Avantageusement, ledit polymère est un polymère semi-cristallin.
Avantageusement ledit polymère semi-cristallin présente une température de transition vitreuse est telle que Tg > 80 °C, notamment Tg> 100 °C, en particuliers 120 °C, notamments 140°C et une Tf> 150°C.
Dans ce dernier cas, ledit au moins polymère thermoplastique semi-cristallin est sélectionné parmi : les poly(aryl éthercétones) (PAEK), en particulier le poly(étheréthercétone) (PEEK) ; les poly(aryl éthercétonecétone) (PAEKK), en particulier le poly(éthercétonecétone) (PEKK) ; les polyéther-imides (PEI) aromatiques ; les polyaryl sulfones, en particulier les polyphénylène sulfones (PPSU) ; les polyarylsulfures, en particulier les polyphénylène sulfures (PPS) ; les polyamides (PA), en particulier polyamides semi-aromatiques (polyphthalamides) éventuellement modifiées par unités urées ; les polyacrylates en particulier le polyméthacrylate de méthyle (PMMA) ; les polyoléfines, en particulier le polypropylène, l’acide polylactique (PLA), l’alcool polyvinylique (PVA); et leurs mélanges, notamment un mélange de PEKK et de PEI, de préférence de 90-10% en poids à 60-40% en poids, en particulier de 90-10% en poids à 70-30% en poids. Plus avantageusement, dans ce dernier cas, ledit au moins polymère thermoplastique est sélectionné parmi les polyamides, les polyamides aliphatiques, les polyamides cycloaliphatiques et les polyamides semi-aromatiques (polyphthalamides), le PEKK, le PEI et un mélange PEKK et de PEI.
Dans un mode de réalisation, ledit polymère thermoplastique comprend en outre des charges carbonées, en particulier du noir de carbone ou des nanocharges carbonées, de préférence choisies parmi des nanocharges carbonées, en particulier des graphènes et/ou des nanotubes de carbone et/ou des nanofibrilles de carbone ou leurs mélanges.
S’agissant du matériau fibreux
Ledit matériau fibreux comprend des fibres continues sélectionnées parmi les fibres de carbone, de verre, de carbure de silicium, à base de basalte ou de basalte, de silice, les fibres naturelles en particulier de lin ou de chanvre, de lignine, de bambou, de sisal, de soie, ou cellulosiques en particulier de viscose, ou les fibres thermoplastiques amorphes de température de transition vitreuse Tg supérieure à la Tg dudit polymère ou dudit mélange de polymères lorsque ce dernier est amorphe ou supérieure à la Tf dudit polymère ou dudit mélange de polymères lorsque ce dernier est semi-cristallin, ou les fibres thermoplastiques semi-cristallines de température de fusion Tf supérieure à la Tg dudit polymère ou dudit mélange de polymères lorsque ce dernier est amorphe ou supérieure à la Tf dudit polymère ou dudit mélange de polymères lorsque ce dernier est semi-cristallin, ou un mélange de deux ou de plusieurs desdites fibres, de préférence un mélange de fibres de carbone, de verre ou de carbure de silicium, en particulier des fibres de carbone.
Les fibres pouvant entrer dans la composition des matériaux fibreux peuvent avoir des grammages linéiques ou titre ou titrage ou « tex » différents et/ou être en nombre différent dans les mèches. Aussi, les mèches les plus classiquement utilisées sont composées de 600 à 4800 tex pour les fibres de verre et de 3000 (3K), 6000 (6K), 12000 (12K), 24000 (24K), 48000 (48K), 50 000 (50K) ou 400 000 (400K) fibres pour les fibres de carbone. Les fibres de carbone présentent généralement un diamètre proche de 7-8 pm et les fibres de verre un diamètre d’environ 13, 15, 17 ou 20 pm par exemple.
Selon un autre aspect, la présente invention concerne l’utilisation du procédé tel que défini ci- dessus, pour la fabrication de pièces composites en trois dimensions, par dépose automatique desdits rubans au moyen d’un robot.
Avantageusement, lesdites pièces composites concernent les domaines des transports, en particulier automobile, du pétrole et du gaz, en particulier l’offshore, de l’hydrogène, du stockage de gaz, notamment de l’hydrogène, aéronautique, nautique, ferroviaire ; des énergies renouvelables, en particulier éolienne, hydrolienne, les dispositifs de stockage d’énergie, les panneaux solaires ; des panneaux de protection thermique ; des sports et loisirs, de la santé et du médical et de l’électronique. Selon encore un autre aspect, la présente invention concerne une pièce composite en trois dimensions, comprenant n bandes de matériau fibreux imprégné d’un polymère thermoplastique déposées sur un support tels que définis ci-dessus.
Dans un mode de réalisation, ladite pièce composite à fort degré de consolidation est caractérisée en ce que la masse moléculaire moyenne du polymère amorphe ou semi-cristallin est comprise de 11000 à 12000 g/mol et le taux de cristallinité dudit polymère est jusqu’à 25%. Ladite pièce composite peut nécessiter alors par la suite une polycondensation en phase solide (SSP).
Dans un autre mode de réalisation, ladite pièce composite à fort degré de consolidation est caractérisée en ce que le polymère est semi-cristallin et présente une masse moléculaire moyenne du comprise entre 15000 à 25000 g/mol et le taux de cristallinité dudit polymère est compris de 15 à 35%.
Dans encore un autre mode de réalisation, ladite pièce composite à fort degré de consolidation est caractérisée en ce que le polymère est semi-cristallin et présente une masse moléculaire moyenne du comprise entre 15000 à 25000 g/mol et que le taux de porosité dans la pièce avant une éventuelle étape de post-consolidation est inférieur à 10%, préférablement inférieur à 5%, encore plus préférablement inférieur à 2%.
Description des figures
[Fig. 1] présente les différents systèmes de chauffage possibles (2), (3), (4) et (6) sur un support plan et fixe présentant un système de chauffage optionnel (5).
[Fig. 2] présente les différents systèmes de chauffage possibles (4) et (6) réunis sur un cylindrique et rotatif support présentant optionnellement un système de chauffage (5).
[Fig. 3] présente les différents systèmes de chauffage (2) par laser et (3) rouleau presseur chauffant sur un support cylindrique et rotatif présentant un système de chauffage (5) (mandrin chauffant).
[Fig. 4] présente une pièce composite obtenue selon l’exemple 2 de l’invention.
[Fig. 5] présente une pièce composite obtenue selon l’exemple 3 comparatif.
[Fig. 6] présente la micrographie d’une bande déposée avec rouleau de consolidation. [Fig. 7] présente la micrographie d’une bande déposée sans rouleau de consolidation.
Exemples
Exemple 1 : Préparation de bandes de matériau fibreux.
Les bandes de matériau fibreux ont été préparées selon WO2018/234436 : exemple 2 (bande de matériau fibreux (fibre de carbone Zoltek, 50K) monocouche imprégnée par du MPMDT/10T) et exemple 3 pour le taux de porosité. Le taux de fibres en volume de la bande de matériau fibreux imprégné obtenue est de
53%vCF, son point de fusion est situé à 258 °C, sa Tfendset est à 280 °C et sa Tg est à 125 °C.
La Te de ce polymère est égale à 210 °C.
Exemple 2 : Préparation de pièces com de bandes de l’exemple 1 sur un support chauffant avec un système de est un rouleau presseur chauffant et un système de i est un par laser tel aue décrit fiaure 3.
Présentation des systèmes de chauffage/dépose :
(3) est un système de chauffage par rouleau presseur chauffant. Il consiste en un cylindre métallique monté sur rouleaux pour permettre sa libre rotation, le tout monté sur la tête robotisée de dépose. Il intègre un système de chauffage par cartouches chauffantes intégrées à l’intérieur du rouleau métallique et dont la température est contrôlée par des thermocouple intégrés aux cartouches chauffantes. La puissance est transmise aux cartouches sans fil par un système dit brushless, permettant d’avoir une libre rotation/révolution du cylindre métallique autour de son axe tout en pouvant le chauffer sans risque de casser les fils connecteurs de puissance. La pression exercée par le rouleau presseur sur la bande en cours de dépose est exercée par la tête robotisée et mesurée à l’aide de capteurs de pression.
(5) est un mandrin métallique sur lequel sont déposés les tapes pour fabriquer le tube par enroulement filamentaire. Son système de chauffage est identique à celui du système (3), à ceci près que les cartouches chauffantes sont plus longues et plus nombreuses pour chauffer de manière homogène tout le mandrin de 4m de longueur. La rotation du mandrin est assurée par un moteur brushless inclus dans le système de soutien mécanique du mandrin, permettant de faire tourner le mandrin sur lui-même sur son axe de révolution longitudinal à une vitesse imposée, vitesse qui détermine la vitesse de fabrication de la pièce composite. Cette vitesse est adaptée à celle du robot de dépose pour que ce dernier dépose la tape à la vitesse appropriée.
(2) est un système de chauffage par LASER. Celui-ci est monté sur la tête du robot, la même tête qui maintient le rouleau chauffant presseur et d’où sont guidés les tapes en cours de dépose. Sa puissance est régulée via une mesure de température par caméra thermique pointée sur la bande en cours de dépose ; la puissance de chauffe augmente si la bande est trop froide par rapport à la consigne de température demandée par l’opérateur. Inversement, elle diminue si elle est supérieure à cette consigne. L’onde LASER incidente envoyée par le LASER arrive dans la zone à chauffer (tape en court de dépose et interface tape en cours de dépose/tape déjà déposée) avec un angle thêta (0); il est possible d’orienter le LASER pour modifier cet angle et ainsi favoriser la chauffe à l’interface ou plus en faveur de l’une ou l’autre des deux surfaces à mettre en contact. Présentation des systèmes de mesure de température :
Les températures du mandrin chauffant et du rouleau presseur chauffant sont mesurées par les thermocouples intégrés à ces systèmes. La température de la tape en cours de dépose ainsi que celle déjà déposée sont indiquées par des caméras thermiques. La température de la tape en cours de dépose est mesurée dans une zone située juste avant le contact avec le rouleau presseur, soit au moment même du contact avec la couche de tapes déjà déposée.
Présentation de la matrice d’essais :
Les paramètres suivants ont été gardés constants pendant toute la durée de la matrice d’essais de fabrication de tubes composites.
Diamètre du mandrin : 20,5mm
- Température du mandrin chauffant pour le premier pli : 160 °C
- Vitesse de dépose du premier pli : 6 m/min
- Pression du rouleau presseur chauffant pour dépose du premier pli : 1 bar
- Température du rouleau presseur chauffant pour dépose du premier pli : 320 °C
- Température de dépose du premier pli : 320 °C
Vitesse de dépose des 2ème et 3ème plis : 12 m/min
- Pression du rouleau presseur chauffant pour dépose des 2ème et 3ème plis : 2bar
- Orientation du laser (angle thêta 0) : 30°
Les paramètres variables sont les suivants :
- Température de dépose des 2ème et 3ème plis : essais entre 280 et 350 °C
- Température du mandrin chauffant pour dépose des 2ème et 3ème plis : essais entre 100 et 310°C
- Température du rouleau presseur chauffant pour dépose des 2ème et 3ème plis : essais entre 260 et 300 °C
- Température des tapes déjà déposés au moment de la dépose des 2ème et 3ème plis : essais entre 20 et 300 °C.
Présentation des résultats obtenus :
- On observe une amélioration de la consolidation avec une température de tape déjà déposé de 220 °C ; c’est le cas si le mandrin est chauffé à 250 °C lors d’une dépose à 12m/min.
- La consolidation et l’adhésion entre les plis est meilleure lorsqu’on ajoute, en plus du système de mandrin chauffant, un système de rouleau presseur chauffant à 300 °C.
- La température de la tape déposée donnant des résultats optimisés est de 280 °C, la majeure partie de la puissance de chauffe étant fournie par le laser à laquelle il faut ajouter les calories transmises par le rouleau presseur chauffant (sur la tape en cours de dépose) et par le mandrin chauffant qui chauffe la couche déjà déposée.
Exemple 3 comparatif: Préparation de pièces composites par dépose de bandes de l’exemple 1 sans rouleau presseur chauffant.
Présentation des systèmes de chauffage/dépose :
(5) est un mandrin métallique sur lequel sont déposés les tapes pour fabriquer le tube par enroulement filamentaire. Il intègre un système de chauffage par cartouches chauffantes intégrées à l’intérieur du cylindre métallique et dont la température est contrôlée par des thermocouple intégrés aux cartouches chauffantes. La puissance est transmise aux cartouches sans fil par un système dit brushless, permettant d’avoir une libre rotation/révolution du cylindre métallique autour de son axe tout en pouvant le chauffer sans risque de casser les fils connecteurs de puissance. Les cartouches chauffantes sont de taille suffisante et suffisamment nombreuses pour chauffer de manière homogène tout le mandrin de 4m de longueur. La rotation du mandrin est assurée par un moteur brushless inclus dans le système de soutien mécanique du mandrin, permettant de faire tourner le mandrin sur lui- même sur son axe de révolution longitudinal à une vitesse imposée, vitesse qui détermine la vitesse de fabrication de la pièce composite. Cette vitesse est adaptée à celle du robot de dépose pour que ce dernier dépose la tape à la vitesse appropriée.
(2) est un système de chauffage par LASER. Celui-ci est monté sur la tête du robot, la même tête qui maintient le rouleau chauffant presseur et d’où sont guidés les tapes en cours de dépose. Sa puissance est régulée via une mesure de température par caméra thermique pointée sur la bande en cours de dépose ; la puissance de chauffe augmente si la bande est trop froide par rapport à la consigne de température demandée par l’opérateur. Inversement, elle diminue si elle est supérieure à cette consigne. L’onde LASER incidente envoyée par le LASER arrive dans la zone à chauffer (tape en court de dépose et interface tape en cours de dépose/tape déjà déposée) avec un angle thêta (0); il est possible d’orienter le LASER pour modifier cet angle et ainsi favoriser la chauffe à l’interface ou plus en faveur de l’une ou l’autre des deux surfaces à mettre en contact.
Présentation des systèmes de mesure de température :
La température du mandrin chauffant est mesurée par les thermocouples intégrés à ce système. La température de la tape en cours de dépose ainsi que celle déjà déposée sont indiquées par des caméras thermiques. La température de la tape en cours de dépose est mesurée dans une zone située juste avant le contact avec le rouleau presseur, soit au moment même du contact avec la couche de tapes déjà déposée.
Présentation de la matrice d’essais : Les paramètres suivants ont été gardés constants pendant toute la durée de la matrice d’essais de fabrication de tubes composites.
Diamètre du mandrin : 20.5mm
- Température du mandrin chauffant pour le premier pli : 160 °C
- Vitesse de dépose du premier pli : 6m/min
- Pression du rouleau presseur chauffant pour dépose du premier pli : 1 bar
- Température du rouleau presseur chauffant pour dépose de tous les plis : 20 °C
- Température de dépose du premier pli : 290 °C
Vitesse de dépose des 2ème et 3ème plis : 12m/min
- Pression du rouleau presseur chauffant pour dépose des 2ème et 3ème plis : 2bar
- Orientation du laser (angle thêta 0) : 30°
Les paramètres variables sont les suivants :
- Température de dépose des 2ème et 3ème plis : essais entre 290 et 350 °C
- Température du mandrin chauffant pour dépose des 2ème et 3ème plis : essais entre 150 et 230°C
- Température des tapes déjà déposés au moment de la dépose des 2ème et 3ème plis : essais entre 20 et 258 °C
Présentation des résultats obtenus :
- On observe une amélioration de la consolidation avec une température de tape déjà déposé de 220 °C ; c’est le cas si le mandrin est chauffé à 250 °C lors d’une dépose à 12m/min.
La température de la tape déposée donnant des résultats optimisés est de 300 °C, la majeure partie de la puissance de chauffe étant fournie par le laser à laquelle il faut ajouter les calories transmises par le rouleau presseur chauffant (sur la tape en cours de dépose) mais retrancher les calories absorbées par le rouleau presseur non chauffé.
- Les résultats d’adhésion sont globalement moins satisfaisants que ceux obtenus dans la matrice d’essais de l’exemple 2.
Exemple 4 : comparaison des propriétés mécaniques ? de la pièce de l’exemple 2 et celle de l’exemple 3.
- Les résultats d’adhésion sont globalement moins satisfaisants que ceux obtenus dans le matrice d’essais de l’exemple 2.
- On observe cela en termes de force de pelage (3 fois moins importante) et de consolidation des plis (porosité 2 fois plus élevée) 5 : Détermination du taux de ité l’écart relatif entre densité théorique et densité a) Les données requises sont :
La densité de la matrice thermoplastique
La densité des fibres
Le grammage du renfort :
• masse linéique (g/m) par exemple pour une tape 14 de pouce (issu d’un seul rowing)
• masse surfacique (g/m2) par exemple pour une tape plus large ou un tissu b) Mesures à réaliser :
Le nombre d’échantillons doit être au minimum de 30 pour que le résultat soit représentatif du matériau étudié.
Les mesures à réaliser sont :
La dimension des échantillons prélevés: o Longueur (si masse linéique connue). o Longueur et largeur (si masse surfacique connue).
La densité expérimentale des échantillons prélevés : o Mesures de masse dans l’air et dans l’eau.
La mesure du taux de fibres est déterminée selon ISO 1 172 :1999 ou par analyse th ermog ravi métrique (ATG) telle que déterminé par exemple dans le document B. Benzler, Applikationslabor, Mettler Toledo, Giesen, UserCom 1/2001.
La mesure du taux de fibres de carbone peut être déterminée selon ISO 14127 :2008.
Détermination du taux de fibres massique théorique : a) Détermination du taux de fibres massique théorique : [Math 1]
Avec mi la masse linéique de la tape,
L la longueur de l’échantillon et
Meair \a masse de l’échantillon mesuré dans l’air.
La variation du taux massique de fibres est supposée être directement liée à une variation du taux de matrice sans prendre en compte la variation de la quantité des fibres dans le renfort. b) Détermination de la densité théorique : [Math 2]
Avec dm et df les densités respectives de la matrice et des fibres.
La densité théorique ainsi calculée est la densité accessible s’il n’y a aucune porosité dans les échantillons. c) Evaluation de la porosité :
La porosité est alors l’écart relatif entre densité théorique et densité expérimentale.
Légende des figures 2 et 3 :
Fig.2 :
(a) Bande en cours de dépose
(b) Tube en fabrication sur support cylindrique rotatif avec système de chauffage (5)
(c) (6) et (4) réunis.
Fig.3 :
(a) Bande en cours de dépose
(b) Rouleau presseur chauffant
(c) Mandrin chauffant
(d) Tube en fabrication
(e) Laser

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé de préparation de pièces composites à fort degré de consolidation comprenant n bandes de matériau fibreux imprégné d’un polymère thermoplastique déposées sur un support, caractérisé en ce qu’il comprend une étape de dépose d’au moins une bande de matériau fibreux imprégnée d’un polymère thermoplastique sur un support, au moyen d’un système de chauffage principal choisis parmi les deux systèmes suivants: un système de préchauffage (1 ) de ladite bande de matériaux fibreux imprégnée avant dépose de ladite bande sur ledit support, et un système de chauffage de ladite bande de matériaux fibreux imprégnée sur sa face interne (2) au point de contact de ladite bande avec ledit support, en association avec au moins un système de chauffage secondaire choisi parmi les quatre suivants : un système de chauffage de ladite bande de matériaux fibreux imprégnée sur sa face externe (3) au point de contact de ladite bande avec ledit support, un système de post chauffage (4) de ladite bande n de matériaux fibreux imprégnée après dépose de ladite bande n sur ledit support, un système de chauffage (5) dudit support, et un système de préchauffage de la bande n-1 de matériaux fibreux imprégnée (6) préalablement déposée avant dépose de ladite bande n de matériau fibreux, ou au moyen des deux systèmes de chauffage principaux (1 ) de ladite bande de matériaux fibreux imprégnée avant dépose de ladite bande sur ledit support et de ladite bande de matériaux fibreux imprégnée sur sa face interne (2) au point de contact de ladite bande avec ledit support optionnellement associés à au moins l’un des quatre systèmes secondaires : un système de chauffage de ladite bande de matériaux fibreux imprégnée sur sa face externe (3) au point de contact de ladite bande avec ledit support, un système de post chauffage (4) de ladite bande n de matériaux fibreux imprégnée après dépose de ladite bande n sur ledit support,
, un système de chauffage (5) dudit support, et un système de préchauffage de la bande n-1 de matériaux fibreux imprégnée (6) préalablement déposée avant dépose de ladite bande n de matériau fibreux, ledit support étant au préalable dépourvu de toute bande déposée ou comprenant au moins une bande n-1 dudit matériau fibreux imprégné d’un polymère thermoplastique préalablement déposée, lesdits au moins deux systèmes de chauffage étant présents pour augmenter l’adhésion de ladite bande sur le support ou sur la bande n-1 préalablement déposée, ledit polymère thermoplastique étant un polymère amorphe, dont la température de transition vitreuse est telle que Tg > 80°C, notamment Tg> 100°C, en particuliers 120 °C, notamments 140 °C, ou un polymère semi-cristallin, dont la température de fusion Tf > 150°C, la température de ladite bande n à déposer étant constante tout au long de sa dépose sur ledit support, à l’exclusion du couple de chauffage suivants lorsque seuls deux systèmes de chauffage sont présents : un système de chauffage de ladite bande de matériaux fibreux imprégnée sur sa face interne (2) au point de contact de ladite bande avec ledit support et un système de chauffage (5) dudit support, si ledit système de chauffage (2) est effectué par laser, et à l’exclusion des trois systèmes suivants lorsque seuls trois systèmes de chauffage sont présents : un système de préchauffage (1) de ladite bande de matériaux fibreux imprégnée avant dépose de ladite bande sur ledit support, un système de post chauffage (4) de ladite bande n de matériaux fibreux imprégnée après dépose de ladite bande n sur ledit support et un système de préchauffage de la bande n-1 de matériaux fibreux imprégnée (6) préalablement déposée avant dépose de ladite bande n de matériau fibreux, dans le cas d’un support cylindrique simultanément en rotation selon l’axe du cylindre et en translation, les trois systèmes étant par chauffage infra rouge et les deux systèmes de post chauffage (4) de ladite bande n de matériaux fibreux imprégnée après dépose de ladite bande n sur ledit support et un système de préchauffage de la bande n-1 de matériaux fibreux imprégnée (6) préalablement déposée avant dépose de ladite bande n de matériau fibreux étant réunis, et à l’exclusion des trois systèmes suivants lorsque uniquement trois systèmes de chauffage sont présents : un système de préchauffage (1) de ladite bande de matériaux fibreux imprégnée avant dépose de ladite bande sur ledit support, un système de chauffage de ladite bande de matériaux fibreux imprégnée sur sa face interne
(2) au point de contact de ladite bande avec ledit support et un système de chauffage de ladite bande de matériaux fibreux imprégnée sur sa face externe (3) au point de contact de ladite bande avec ledit support. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que ledit polymère est un polymère semi-cristallin.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que au moins un des systèmes de chauffage est choisi parmi un système de préchauffage (1 ) de ladite bande de matériaux fibreux imprégnée avant dépose de ladite bande sur ledit support, un système de chauffage de ladite bande de matériaux fibreux imprégnée sur sa face externe (3) au point de contact de ladite bande avec ledit support et un système de chauffage de ladite bande de matériaux fibreux imprégnée sur sa face interne (2) au point de contact de ladite bande avec ledit support.
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que au moins un autre système de chauffage est choisi parmi un système de post chauffage (4) de ladite bande n de matériaux fibreux imprégnée après dépose de ladite bande n sur ledit support, un système de chauffage (5) dudit support, et un système de préchauffage de la bande n-1 de matériaux fibreux imprégnée (6) préalablement déposée avant dépose de ladite bande n de matériau fibreux et en particulier la température desdits au moins un autre système de chauffage (5) dudit support, et un système de préchauffage de la bande n-1 de matériaux fibreux imprégnée (6) préalablement déposée avant dépose de ladite bande n de matériau fibreux est comprise de Te - 60°C à Te + 20°C, Te étant la température de cristallisation telle que déterminée par analyse calorimétrique différentielle (DSC) selon la norme 11357-3 :2013, et la température dudit au moins un autre système de préchauffage de la bande n-1 de matériaux fibreux imprégnée (6) préalablement déposée avant dépose de ladite bande n de matériau fibreux est inférieure à Tf et en particulier égale à Tf - 10°C.
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le taux de cristallinité du polymère thermoplastique dans la bande après dépose de celle-ci est supérieur à 5%, en particulier supérieur à 10%, plus particulièrement supérieur à 15%.
6. Procédé selon l’une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que la température de la bande n au moment de la dépose au point de contact de la bande n avec la bande n-1 est constante.
7. Procédé selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit au moins un système de chauffage est choisi parmi un fluide caloporteur, un chauffage par induction, le courant continu, une cartouche chauffante, un rouleau presseur chauffant, une diode électroluminescente (LED), un infrarouge (IR), une source d’UV, de l’air chaud et un laser.
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits systèmes de chauffage présents sont tous des systèmes infrarouges à l’exception du système de chauffage (5) dudit support qui peut être également choisi parmi un fluide caloporteur, le courant continu une cartouche chauffante et un chauffage par induction.
9. Procédé selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que deux systèmes de chauffage sont présents, l’un étant un système de préchauffage (1) de ladite bande de matériaux fibreux imprégnée avant dépose de ladite bande sur ledit support, et l’autre étant un système de post chauffage (4) de ladite bande n de matériaux fibreux imprégnée après dépose de ladite bande n sur ledit support ou un système de préchauffage de la bande n-1 de matériaux fibreux imprégnée (6) préalablement déposée avant dépose de ladite bande n de matériau fibreux, un système de chauffage par infrarouge (IR) étant exclu d’au moins l’un des deux systèmes de préchauffage (1) de ladite bande de matériaux fibreux imprégnée avant dépose de ladite bande sur ledit support et un système de post chauffage (4) de ladite bande n de matériaux fibreux imprégnée après dépose de ladite bande n sur ledit support ou un système de préchauffage (1 ) de ladite bande de matériaux fibreux imprégnée avant dépose de ladite bande sur ledit support et un système de préchauffage de la bande n-1 de matériaux fibreux imprégnée (6) préalablement déposée avant dépose de ladite bande n de matériau fibreux lorsqu’ils sont présents tous les deux.
10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu’un système de chauffage de ladite bande de matériaux fibreux imprégnée sur sa face externe (3) au point de contact de ladite bande avec ledit support est de plus présent, ledit système de chauffage de ladite bande de matériaux fibreux imprégnée sur sa face externe (3) au point de contact de ladite bande avec ledit support étant un rouleau presseur chauffant.
11 . Procédé selon l’une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que deux systèmes de chauffage sont présents, l’un étant un système de chauffage de ladite bande de matériaux fibreux imprégnée sur sa face interne (2) au point de contact de ladite bande avec ledit support et l’autre un système de chauffage (5) dudit support, un système de chauffage par laser étant exclu dudit système de chauffage de ladite bande de matériaux fibreux imprégnée sur sa face interne (2) au point de contact de ladite bande avec ledit support et en particulier la température dudit au moins un autre système de chauffage (5) dudit support est comprise de Te - 60 °C à Te + 20 °C, de préférence comprise entre Te - 20°C et Te + 10°Cen particulier à une température égale à Te, Te étant la température de cristallisation telle que déterminée par analyse calorimétrique différentielle (DSC) selon la norme 11357-3 :2013.
12. Procédé selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que deux systèmes de chauffage sont présents, l’un étant un système de chauffage de ladite bande de matériaux fibreux imprégnée sur sa face interne (2) au point de contact de ladite bande avec ledit support et l’autre étant un système de post chauffage (4) de ladite bande n de matériaux fibreux imprégnée après dépose de ladite bande n sur ledit support ou un système de préchauffage de la bande n-1 de matériaux fibreux imprégnée (6) préalablement déposée avant dépose de ladite bande n de matériau fibreux, ledit système de chauffage de ladite bande de matériaux fibreux imprégnée sur sa face interne (2) au point de contact de ladite bande avec ledit support étant un chauffage laser et ledit système de post chauffage (4) de ladite bande n de matériaux fibreux imprégnée après dépose de ladite bande n sur ledit support ou système de préchauffage de la bande n-1 de matériaux fibreux imprégnée (6) préalablement déposée avant dépose de ladite bande n de matériau fibreux étant un chauffage infrarouge.
13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce qu’un système de chauffage (5) dudit support, est de plus présent.
14. Procédé selon l’une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que ledit au moins polymère thermoplastique est sélectionné parmi : les poly(aryl éthercétones) (PAEK), en particulier le poly(étheréthercétone) (PEEK) ; les poly(aryl éthercétonecétone) (PAEKK), en particulier le poly(éthercétonecétone) (PEKK) ; les polyéther-imides (PEI) aromatiques ; les polyaryl sulfones, en particulier les polyphénylène sulfones (PPSU) ; les polyarylsulfures, en particulier les polyphénylène sulfures (PPS) ; les polyamides (PA), en particulier polyamides semi-aromatiques (polyphthalamides) éventuellement modifiées par unités urées; les PEBA dont la Tf est supérieure à 150 °C, les polyacrylates en particulier le polyméthacrylate de méthyle (PMMA) ; les polyoléfines, en particulier le polypropylène, l’acide polylactique (PLA), l’alcool polyvinylique (PVA), et les polymères fluorés en particulier le polyfluorure de vinylidène (PVDF) ou le polytétrafluoroéthylène (PTFE) ou le polychlorotrifluoroéthylène (PCTFE); et leurs mélanges, notamment un mélange de PEKK et de PEI, de préférence de 90-10% en poids à 60-40% en poids, en particulier de 90-10% en poids à 70-30% en poids. Procédé selon l’une des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que ledit au moins polymère thermoplastique est sélectionné parmi les polyamides, les polyamides aliphatiques, les polyamides cycloaliphatiques et les polyamides semi-aromatiques (polyphthalamides), le PEKK, le PEI et un mélange PEKK et de PEI. Utilisation du procédé tel que défini selon l’une des revendications 1 à 15, pour la fabrication de pièces composites en trois dimensions, par dépose automatique desdits rubans au moyen d’un robot. Utilisation selon la revendication 16, caractérisée en ce que lesdites pièces composites concernent les domaines des transports, en particulier automobile, du pétrole et du gaz, en particulier l’offshore, de l’hydrogène, du stockage de gaz, notamment de l’hydrogène, aéronautique, nautique, ferroviaire ; des énergies renouvelables, en particulier éolienne, hydrolienne, les dispositifs de stockage d’énergie, les panneaux solaires ; des panneaux de protection thermique ; des sports et loisirs, de la santé et du médical et de l’électronique. Pièce composite en trois dimensions, comprenant n bandes de matériau fibreux imprégné d’un polymère thermoplastique déposées sur un support telles que définies dans l’une des revendications 1 à 15. Pièce composite à fort degré de consolidation selon la revendication 18, caractérisée en ce que la masse moléculaire moyenne du polymère amorphe ou semi-cristallin est comprise de 11000 à 12000 g/mol et le taux de cristallinité dudit polymère est jusqu’à 25%. Pièce composite à fort degré de consolidation selon la revendication 18, caractérisée en ce que le polymère est semi-cristallin présentant une masse moléculaire moyenne du comprise entre 15000 à 25000 g/mol et le taux de cristallinité dudit polymère est compris de 15 à 35%. Pièce composite à fort degré de consolidation selon la revendication 18, caractérisée en ce que le polymère est semi-cristallin présentant une masse moléculaire moyenne du comprise entre 15000 à 25000 g/mol et que le taux de porosité dans la pièce avant une éventuelle étape de post-consolidation est inférieur à 10%, préférablement inférieur à 5%, encore plus préférablement inférieur à 2%.
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