EP4731423A2 - Systeme de fabrication d'une piece composite par drapage automatique avec un prechauffage du ruban - Google Patents

Systeme de fabrication d'une piece composite par drapage automatique avec un prechauffage du ruban

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EP4731423A2
EP4731423A2 EP24745983.7A EP24745983A EP4731423A2 EP 4731423 A2 EP4731423 A2 EP 4731423A2 EP 24745983 A EP24745983 A EP 24745983A EP 4731423 A2 EP4731423 A2 EP 4731423A2
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EP
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ribbon
draping
manufacturing
composite part
heating
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Application number
EP24745983.7A
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Inventor
John Moutier
Bertrand Léon Marie DESJOYEAUX
Aline SIMAR
Rémi Roland Robert MERCIER
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Safran SA
Original Assignee
Safran SA
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Publication date
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Abstract

Système (1) de fabrication d'une pièce composite (2) par drapage automatique, le système (1) comportant un cantre (3) comportant au moins une bobine (80) d'un ruban (8) de fibres en matériau composite, une tête de drapage (5) fournissant au moins un ruban (8) de fibres en matériau composite, un moule (7) configuré pour réceptionner le ruban (8) et former ladite pièce composite (2) par fabrication additive, et un rouleau de compactage (6) configuré pour appliquer le ruban (8) sur le moule (8) ou sur du ruban déjà déposé. Le système (1) comprend en outre des moyens de préparation (10) dudit au moins un ruban (8), lesdites moyens de préparation (10) étant montés en amont de la tête de drapage (5) et comportant au moins un module de chauffage (11, 12) dudit au moins un ruban (8).

Description

Description
Titre de l'invention : Système de fabrication d'une pièce composite par drapage automatique avec un préchauffage du ruban
Domaine Technique
L’invention concerne la fabrication de pièces en matériaux composites à partir d’un ruban de fibres en matériau composite et notamment à partir d’un ruban de fibres en matériau thermoplastique.
Technique antérieure
La fabrication de pièces en matériaux composites à partir d’un ruban de fibres en matériau composite est une forme de fabrication additive. La dépose automatisée de ruban, plus communément appelée « drapage automatique », est réalisée à l’aide d’un moyen automatisé qui dépose un ou plusieurs rubans de matière sur une ou plusieurs trajectoires afin de réaliser un empilement de matière sur un moule.
Les machines ont été développées jusqu’à aujourd’hui principalement pour draper des fibres préimprégnées de résine dites « thermodurcissables » ou de fibres sèches. Ces matériaux étant pégueux à température ambiante, ces machines sont conçues pour que l’acheminement de la matière se fasse, jusqu’à sortie de la tête en environnement « froid », c’est-à-dire entre 6 et 16°C afin de limiter les frottements et les bourrages de la matière par collage.
Pour citer un exemple, il s’agit ici de moyen type machine de drapage automatique de la marque CORIOLIS® réf C1 . Une machine de type CORIOLIS® comprend trois éléments principaux de circulation de la matière : un cantre, une gaine, et une tête. A noter que le moyen de drapage automatique est équipé d’un système de compactage régulé qui contient un rouleau qui assure le lien entre la matière à déposer (le ruban), et le moule de drapage.
Dans ce type de machine, il y a un système de « Vortex » d’air dans la tête pour générer un flux d’air froid et une circulation d’air pulsée dans la gaine depuis une climatisation ainsi qu’une autre dans le cantre. Au bout de la tête, afin de permettre à la matière froide sortant de la tête d’adhérer à la surface de drapage (car froid, la matière n’adhère pas ou peu), un moyen infrarouge chauffant jusque 100°C est utilisé. A l’inverse des résines thermodurcissables, les fibres imprégnées de résine thermoplastique sont complètement figées voire rigide et donc non pégueuses à température ambiante et nécessite une température élevée (entre 200 et 400 °C) pour devenir pégueuse.
Lorsqu’on remplace les fibres de résine thermodurcissable par des fibres de résine thermoplastique dans une machine de type CORIOLIS®, le froid n’est pas ou peu activé et une source de chaleur très importante est nécessaire à la sortie de la tête de drapage, le plus souvent une source laser coûteuse et encombrante pour le drapage qui chauffe à 450 °C, et le moule, sur lequd la matière est déposée, est muni d’un système chauffant coûteux.
La conception même de ce type de machine n’est pas optimisée pour cette application thermoplastique, notamment pour les raisons suivantes.
La source laser (entre 5 et 10kW) en bout de tête est coûteuse, encombrante (limitant ainsi les accès pièces dans les parties concaves) et présente des risques de manipulation (les cellules de drapages munies de laser sont dans une enceinte cloisonnée avec des filtres optiques sur les vitres).
La vitesse de drapage est aujourd’hui très faible notamment dans le cadre de la polymérisation in situ (lorsque l’on souhaite faire la consolidation de la pièce en même temps que le drapage).
Il est connu du document EP 3 015 851 d’un système de drapage avec un rouleau perméable au laser de chauffe, le laser chauffant localement la matière à son point de contact avec le moule.
Il est également connu du document EP 3 202 547 un système de drapage utilisant un rouleau couplé à un système de chauffage localisé et doté d’un moyen de chauffage du moule.
Il est aussi connu du document EP 3 476 577 un système de pilotage « fin » de la température de drapage au point de contact matière/surface de drapage.
Il est connu du document EP 3 848 188 un système comportant des sources laser sur la tête de drapage pour mieux focaliser la chauffe à la sortie de tête au point de contact matière/surface à draper. Il est enfin connu du document US 10,843,436 un système de drapage avec un rouleau « réfléchissant » le laser de chauffe.
Exposé de l’invention
L'invention vise à fournir une machine de drapage automatique adaptée pour utiliser des fibres en matériau composite nécessitant un chauffage du matériau avant sa dépose et améliorer la productivité d’une telle dépose automatisée. L’invention vise notamment à fournir une machine de drapage automatisé adaptée pour la dépose de rubans en résine thermoplastique, et ainsi améliorer la qualité du matériau composant la pièce notamment en cas de drapage dit « in situ » où la consolidation de la matière est faite en même temps que le drapage : le fait de chauffer doit permettre d’amener la matière dans un état cristallin/amorphe qui doit permettre à l’issu du drapage d’avoir une meilleure tenue mécanique de la pièce comme la tenue en cisaillement interlaminaire.
Un objet de l’invention propose un système de fabrication d’une pièce composite par drapage automatique, le système comportant un cantre comportant au moins une bobine d’un ruban de fibres en matériau composite, une tête de drapage fournissant au moins un ruban de fibres en matériau composite, un moule configuré pour réceptionner le ruban et former ladite pièce composite par fabrication additive, c’est- à-dire par dépose successive, et un rouleau de compactage configuré pour appliquer le ruban sur le moule ou sur du ruban déjà déposé.
Selon une caractéristique générale de l’invention, le système comprend en outre des moyens de préparation dudit au moins un ruban, les moyens de préparation étant montés en amont de la tête de drapage et comportant au moins un module de chauffage dudit au moins un ruban.
Autrement dit, les moyens de préparation ne sont pas montés sur la tête, mais en amont, c’est-à-dire sur le cantre et/ou sur toute partie du système située en amont de la tête du système, par exemple sur une gaine située entre le cantre et la tête.
L’invention permet ainsi de préchauffer la matière thermoplastique, notamment pour que les fibres soient malléables et les amener jusqu’à la tête sans les détériorer, mais aussi pour que la quantité de chaleur à fournir au niveau de la tête pour la dépose des fibres sur le moule soit moins importante. Dans un premier mode de réalisation du système de fabrication, les moyens de préparation peuvent comprendre un premier module de chauffage monté sur le cantre et configuré pour chauffer ladite au moins une bobine de ruban de fibres en matériau composite.
Sans chauffe préalable, la matière thermoplastique est relativement rigide et non pégueuse. Cela pose des problèmes dans des systèmes de fabrication d’une pièce composite par drapage automatique s’appuyant sur la mise en tension des fibres thermoplastiques entre le cantre et la tête de drapage. Lorsque la matière est rigide et peu pégueuse, dans certains cas, elle peut se comporter tel un clinquant métallique. Du coup, elle a un effet ressort qui a tendance à se dérouler naturellement et donc génère une action d’appuie sur les courroies et à tendance à pousser la matière à draper alors que le drapage n’a pas démarré, générant alors un bourrage.
C’est ce qu’on peut observer notamment avec un système limiteur de tension de la machine d’application de fibres décrite dans le document EP 1 855 870. Le système limiteur de tension est disposé entre des moyens de stockage des fibres et la tête d'application, et il comporte plusieurs cylindres parallèles entre eux sur lesquels une pluralité de fibres s’enroule partiellement, ainsi que des moyens d'entraînement pour entraîner en rotation les cylindres, sensiblement à la même vitesse.
Autrement dit encore, la matière thermoplastique étant solide à température ambiante, les rubans de fibres thermoplastiques ont tendance à l’état libre à se mettre en ligne droite. Du coup, les rubans ont tendance même au repos (hors phase de drapage) à exercer un contact sur les courroies de mise en tension et donc sur les rouleaux. Le carbone se déroule alors « tout seul » dans le cantre.
Le fait de chauffer la matière dans le cantre la rend déformable et peut ainsi éliminer ce problème de sur alimentation de matière vers la tête.
En outre, un chauffage de la matière dans le cantre permet de l’étuver et d’éliminer l’eau quelle contient pour ainsi éviter les phénomènes de cloquage.
Dans un deuxième mode de réalisation du système de fabrication, le système peut comprendre au moins une gaine d’acheminent disposée entre le cantre et la tête de drapage, ladite au moins une gaine d’acheminement étant configuré pour acheminer au moins un ruban de fibres en matériau composite du cantre vers la tête de drapage, et les moyens de préparation peuvent comprendre un deuxième module de chauffage monté sur la gaine d’acheminement et configuré pour chauffer ledit au moins un ruban de fibres en matériau composite circulant dans la gaine d’acheminement.
De préférence, le premier module de chauffage est configuré pour chauffer ladite au moins une bobine de ruban à une première consigne de température inférieure ou égale à un seuil de température de sécurité de manipulation du cantre, et le deuxième module de chauffage est configuré pour chauffer ledit au moins un ruban à une deuxième consigne de température strictement supérieure à la température de transition vitreuse du matériau composite des fibres du ruban, la deuxième consigne de température étant supérieure à la première consigne de température.
Pour travailler avec des fibres de résine thermoplastique, trois températures caractéristiques sont à considérer :
- La température de fusion (Tf) : température à partir de laquelle le matériau prend une forme suffisamment peu visqueuse pour qu’on puisse obtenir une reptation des molécules et un entremêlement des molécules de matrice du ruban déposé et des rubans du substrat et qui doit être atteinte au niveau de la dépose pour fusionner les couches entre elles ;
- La température de transition vitreuse (Tg) : température à partir de laquelle le matériau connaît une chute significative de rigidité et peut « plastifier » sous très faible sollicitation mécanique ;
- La température de début de pégosité (Tpeg) qui caractérise le domaine de température à partir duquel la matrice commence à être « collante », ce qui est à éviter dans le parcours jusqu’à la dépose pour éviter l’encrassement des organes de la machine.
Si nous regardons plus en détail au niveau de la processabilité des matières thermoplastiques, on peut considérer deux objectifs de températures :
Un premier objectif de température, par exemple compris entre 50 °C et 65 °C, pour fournir un premier apport de calories et réaliser un étuvage de la résine thermoplastique. Appliquer une température supérieure à la température ambiante mais inférieure à 65 °C pour respecter les contraintes de sécurité de manipulation permet de préchauffer la matière et de réaliser un premier apport de calories tout en étuvant la résine thermoplastique pour éviter qu’elle contienne de l’eau (comme réalisé dans les procédés d’injection thermoplastique de granulés. Cela peut permettre d’éviter le phénomène de cloquage en chauffant très rapidement une résine « humide »).
Un deuxième objectif de température pour fournir un second apport de calories pour obtenir un ramollissement de la matière mais pas trop pour ne pas f luer/col 1er pendant le transfert vers la tête de drapage. Ce second objectif de température doit être supérieur d’au moins 10 ° C à la température detransition vitreuse (Tg) du matériau.
Avantageusement, les moyens de préparation peuvent comprendre en outre un système de refroidissement monté sur la gaine d’acheminement et configuré pour refroidir ledit au moins un ruban se trouvant dans la gaine si ledit système de fabrication est mis à l’arrêt, ledit au moins un ruban arrêtant de circuler dans la gaine d’acheminement.
Dans un troisième mode de réalisation du système de fabrication, le système peut comprendre une unité de régulation dudit au moins un module de chauffage configuré pour adapter la consigne de chauffage en fonction de la vitesse de drapage.
Dans un quatrième mode de réalisation du système de fabrication, le système peut comprendre en outre un bloc de chauffage supplémentaire monté sur la tête de drapage.
Dans un cinquième mode de réalisation du système de fabrication, , le système peut comprendre en outre une unité de chauffage du rouleau de compaction.
Dans un sixième mode de réalisation du système de fabrication, au moins un module de chauffage des moyens de préparation peut comprendre un moyen de chauffage par conduction.
Dans un septième mode de réalisation du système de fabrication, au moins un module de chauffage des moyens de préparation peut comprendre un moyen de chauffage par induction. Dans un huitième mode de réalisation du système de fabrication, au moins un module de chauffage des moyens de préparation comprend un moyen de chauffage par micro-onde.
Dans un neuvième mode de réalisation du système de fabrication, au moins un ruban de fibres en matériau composite est un ruban de fibres thermoplastiques.
Brève description des dessins
[Fig. 1] La figure 1 représente schématiquement un système 1 de fabrication d’une pièce composite 2 par drapage automatique selon un premier mode de réalisation de l’invention.
[Fig. 2] La figure 2 représente schématiquement un système 1 de fabrication d’une pièce composite 2 par drapage automatique selon un deuxième mode de réalisation de l’invention.
[Fig. 3] La figure 3 représente schématiquement un système 1 de fabrication d’une pièce composite 2 par drapage automatique selon un troisième mode de réalisation de l’invention.
Description des modes de réalisation
Sur la figure 1 est représenté schématiquement un système 1 de fabrication d’une pièce composite 2 par drapage automatique selon un premier mode de réalisation de l’invention.
Le système 1 de fabrication comprend un cantre 3, une gaine d’acheminement 4, une tête de drapage 5, un rouleau de compactage 6, et un moule 7.
Le cantre 3 stocke au moins une bobine 80 d’un ruban 8 de fibres en matériau composite qui servira pour le drapage sur le moule 7 de la pièce composite 2. Les fibres en matériau composite sont de préférence des fibres thermoplastiques, mais elles peuvent également être des fibres pré-imprégnées d’une résine époxy.
La gaine d’acheminement 4 est configurée pour transférer le ruban 8 depuis le moule 7 est configuré pour réceptionner le ruban 8 fourni par la tête de drapage 5 et former une pièce composite 2 par fabrication additive.
Le cantre 3 alimente ainsi la tête de drapage 5 via la gaine d’acheminement 4 avec un ou plusieurs rubans 8 de fibres en matériau composite. La tête de drapage 3 du système 1 de fabrication est configurée pour draper de 1 à 8 rubans en une seule trajectoire et peut même être adaptée pour draper 16 ou 32 rubans.
Le rouleau de compactage 5 est configuré pour appliquer le ruban 8 sur le moule 4 ou sur du ruban 6 déjà déposé selon l’avancée de la fabrication de la pièce composite.
Dans l’exemple illustré, le système de fabrication 1 comprend en outre trois modules de chauffage référencés 11 , 12 et 13.
Un premier module de chauffage 11 est monté sur le cantre 3 et configuré pour chauffer le ruban 8 stocké dans le cadre à une première température inférieure à 65 °C. Ceci pour rendre le matériau thermoplastiquedes fibres du ruban pégueux et plus souple.
Un deuxième module de chauffage 12 est monté le long de la gaine d’acheminement 4. Le deuxième module de chauffage 12 peut comprendre une pluralité d’unité de chauffage disposées le long de la gaine pour chauffer graduellement le ruban 6 circulant à l’intérieur de la gaine d’acheminement 4 jusqu’à une température supérieure, de préférence d’au moins 10°C, à la température de transition vitreuse du matériau composite des fibres du ruban 8.
Un troisième module de chauffage 13 est monté sur la tête de drapage 5 et est configuré pour chauffer le ruban au moment de la dépose sur el moule 7 ou sur une portion de la pièce 2 déjà déposée. Le troisième module de chauffage 13 peut être configuré pour chauffer le ruban 8 à son contact avec le rouleau de compactage 6 comme cela est illustré, ou bien à l’endroit même de son contact avec le moule è ou la pièce 2.
Le premier module de chauffage 11 et le deuxième module de chauffage 12 forment des moyens 10 de préparation du ruban de fibres en matériau composite configurés pour chauffer le ruban en amont de son passage dans la tête de drapage 5 et ainsi réduire la quantité de chaleur nécessaire à apporter par le troisième module de chauffage 13 lors de la dépose du ruban sur le moule 7 ou sur la pièce 2. Dans une autre configuration les moyens 10 de préparation peuvent comprendre un seul module de chauffage, comme par exemple le premier module de chauffage 11 ou le deuxième module de chauffage 12, ou plus de deux modules de chauffage.
Dans l’exemple illustré, le premier module de chauffage 11 et le deuxième module de chauffage 12 peuvent être des modules de chauffage par conduction et ventilation, par induction ou par micro-onde, les deux modules de chauffage pouvant utiliser la même technique de chauffage ou bien des techniques de chauffage différentes.
Un chauffage par conduction et ventilation peut être optimisé en utilisant le phénomène de convection des courants d’air générés au sein du cantre 3 ou de la gaine d’acheminement 4.
Un module de chauffage par induction peut être réalisé en intégrant par exemple des bobines inductives dans la gaine d’acheminement 4 ou autour d’elle.
Un module de chauffage par micro-ondes peut être réalisé à l’aide d’un guide d’onde introduisant les micro-ondes dans une enceinte telle que celle du cantre 3, ou bien une enceinte intégrée à la gaine d’acheminement 4.
Dans l’exemple illustré, le système 1 comprend en outre une unité 20 de régulation des modules de chauffage 11 , 12 et 13 configurée pour adapter la consigne de chauffage en fonction de la vitesse de drapage.
En cas d’arrêt du système 1 avec une portion de ruban 8 à l’intérieur de la gaine d’acheminement 4, l’unité de régulation 20 peut ainsi commander une phase de préchauffage, lors de la remise en fonctionnement du système 1 , avant la remise en circulation du ruban 8 pour s’assurer que le ruban 8 arrivant à la tête de drapage 5 pour être déposé, arrive avec la bonne température.
Sur la figure 2 est représenté schématiquement un système 1 de fabrication d’une pièce composite 2 par drapage automatique selon un deuxième mode de réalisation de l’invention.
Le deuxième mode de réalisation illustré sur la figure 2 diffère du premier mode de réalisation illustré sur la figure 1 seulement en ce que les moyens de préparation 10 comprennent en outre un système de refroidissement 14 monté sur la gaine d’acheminement 4 et configuré pour refroidir le ruban 8 se trouvant dans la gaine d’acheminement 4 si le système 1 est mis à l’arrêt. Dans l’exemple illustré, le système de refroidissement comprend des injecteurs 140 traversant le module de chauffage 12 et configuré pour injecter un gaz refroidissant à l’intérieur de la gaine d’acheminement 4 lorsque le système 1 s’arrête. Sur la figure 3 est représenté schématiquement un système 1 de fabrication d’une pièce composite 2 par drapage automatique selon un troisième mode de réalisation de l’invention.
Le troisième mode de réalisation illustré sur la figure 3 diffère du premier mode de réalisation illustré sur la figure 1 seulement en ce que le système 1 comprend en outre une unité 60 de chauffage du rouleau de compaction 6 commandée par l’unité de régulation 20.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Système (1) de fabrication d'une pièce composite (2) par drapage automatique, le système (1) comportant un cantre (3) comportant au moins une bobine (80) d'un ruban (8) de fibres en matériau composite, une tête de drapage (5) fournissant au moins un ruban (8) de fibres en matériau composite, un moule (7) configuré pour réceptionner le ruban (8) et former ladite pièce composite (2) par fabrication additive, et un rouleau de compactage (6) configuré pour appliquer le ruban (8) sur le moule (8) ou sur du ruban déjà déposé, caractérisé en ce que le système (1) comprend en outre des moyens de préparation (10) dudit au moins un ruban (8), lesdites moyens de préparation (10) étant montés en amont de la tête de drapage (5) et comportant au moins un module de chauffage (11, 12) dudit au moins un ruban (8).
[Revendication 2] Système (1) de fabrication d'une pièce composite par drapage automatique selon la revendication 1, dans lequel les moyens de préparation (10) comprennent un premier module de chauffage (11) monté sur le cantre (3) et configuré pour chauffer ladite au moins une bobine (80) de ruban (8) de fibres en matériau composite.
[Revendication 3] Système (1) de fabrication d'une pièce composite par drapage automatique selon l'une des revendications 1 ou 2, comprenant au moins une gaine d'acheminent (4) disposée entre le cantre (3) et la tête de drapage (5), ladite au moins une gaine d'acheminement (4) étant configuré pour acheminer au moins un ruban (8) de fibres en matériau composite du cantre (3) vers la tête de drapage (5), et les moyens de préparation (10) comprenant un deuxième module de chauffage (12) monté sur la gaine d'acheminement (4) et configuré pour chauffer ledit au moins un ruban (8) de fibres en matériau composite circulant dans la gaine d'acheminement (4).
[Revendication 4] Système (1) de fabrication d'une pièce composite par drapage automatique selon la revendication 2 en combinaison avec la revendication 3, dans lequel le premier module de chauffage (11) est configuré pour chauffer ladite au moins une bobine (80) de ruban (8) à une première consigne de température inférieure ou égale à un seuil de température de sécurité de manipulation du cantre, et le deuxième module de chauffage (12) est configuré pour chauffer ledit au moins un ruban (8) à une deuxième consigne de température strictement supérieure à la température de transition vitreuse du matériau composite des fibres du ruban, la deuxième consigne de température étant supérieure à la première consigne de température.
[Revendication 5] Système (1) de fabrication d'une pièce composite par drapage automatique selon l'une des revendications 3 ou 4, dans lequel les moyens de préparation (10) comprennent en outre un système de refroidissement (14) monté sur la gaine d'acheminement (4) et configuré pour refroidir ledit au moins un ruban (8) se trouvant dans la gaine d'acheminement (4) si ledit système (1) de fabrication est mis à l'arrêt, ledit au moins un ruban (8) arrêtant de circuler dans la gaine d'acheminement (4).
[Revendication 6] Système (1) de fabrication d'une pièce composite par drapage automatique selon l'une des revendications 1 à 5, comprenant une unité de régulation (20) dudit au moins un module de chauffage (11, 12) configuré pour adapter la consigne de chauffage en fonction de la vitesse de drapage.
[Revendication 7] Système (1) de fabrication d'une pièce composite par drapage automatique selon l'une des revendications 1 à 6, comprenant en outre un bloc de chauffage supplémentaire (13) monté sur la tête de drapage (5).
[Revendication 8] Système (1) de fabrication d'une pièce composite par drapage automatique selon l'une des revendications 1 à 7, comprenant en outre une unité (60) de chauffage du rouleau de compaction (6).
[Revendication 9] Système (1) de fabrication d'une pièce composite par drapage automatique selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel au moins un module de chauffage (11, 12) des moyens de préparation (10) comprend un moyen de chauffage par conduction. [Revendication 10] Système (1) de fabrication d'une pièce composite par drapage automatique selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel au moins un module de chauffage (11, 12) des moyens de préparation
(10) comprend un moyen de chauffage par induction.
[Revendication 11] Système (1) de fabrication d'une pièce composite par drapage automatique selon l'une des revendications 1 à 10, dans lequel au moins un module de chauffage (11, 12) des moyens de préparation (10) comprend un moyen de chauffage par micro-onde.
[Revendication 12] Système (1) de fabrication d'une pièce composite par drapage automatique selon l'une des revendications 1 à 11, dans lequel au moins un ruban (8) de fibres en matériau composite est un ruban de fibres thermoplastiques.
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