FR2948059A1 - Machine d'application de fibres avec rouleau de compactage transparent au rayonnement du systeme de chauffage - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne une machine d'application de fibres pour la réalisation de pièces en matériaux composites comprenant un rouleau de compactage (2) pour appliquer sur une surface d'application (S) une bande (8) formée d'au moins une fibre plate pré-imprégnée de résine, et un système de chauffage apte à émettre un rayonnement thermique en direction de la bande. Ledit rouleau de compactage comprend un cylindre (3) réalisé en un matériau souple, déformable élastiquement, et sensiblement transparent audit rayonnement thermique.

Description

i La présente invention concerne une machine d'application de fibres pour la réalisation de pièces en matériaux composites et plus particulièrement une telle machine comprenant un système de chauffage des fibres et un rouleau de compactage résistant au chauffage.
Il est connu des machines d'application de fibres pour l'application sur une surface d'application d'un moule mâle ou femelle d'une bande large formée d'au moins une fibre plate, de type ruban, pré-imprégnée de résine, notamment des fibres de carbone pré-imprégnées d'une résine thermodurcissable ou thermoplastique, et en particulier des machines dites de placement de fibres pour l'application d'une bande large formée de plusieurs fibres pré-imprégnées de résine. Ces machines de placement de fibres, telles que décrites dans le document brevet WO2006/092514, comprennent classiquement une tête de placement de fibres et un système de déplacement de ladite tête d'application de fibres. Ladite tête de placement de fibres comprend classiquement un rouleau de compactage destiné à venir en contact contre le moule pour appliquer la bande de fibres pré-imprégnées, des moyens de guidage des fibres sous la forme d'une bande sur ledit rouleau de compactage, et un système de chauffage pour chauffer les fibres pré-imprégnées. Le rouleau de compactage presse la bande de fibres contre la surface d'application du moule, ou contre la ou les bandes de fibres précédemment déposées, afin de faciliter l'adhésion des bandes déposées entre elles, ainsi que pour évacuer progressivement l'air emprisonné entre les bandes déposées. Le système de chauffage assure un chauffage de la bande de fibres pré-imprégnées, et/ou du moule ou des bandes déjà appliquées en amont du rouleau de compactage, juste avant le compactage de la bande, afin d'au moins ramollir la résine et ainsi favoriser l'adhésion des bandes entre elles. Le système de chauffage de la bande assure généralement au moins un chauffage de la bande juste avant son compactage. Pour garantir un compactage sensiblement uniforme sur toute la largeur de la bande, la tête de placement de fibres comprend avantageusement un rouleau de compactage apte à s'adapter à la surface d'application, et de préférence un rouleau de compactage en un matériau
2 dit souple, qui est déformable élastiquement, généralement un élastomère. Dans le cas de résines thermodurcissables, les fibres pré-imprégnées sont simplement chauffées pour les ramollir, classiquement à des températures de l'ordre de 40°C. A ces températures, un rouleau souple en matériau élastomère peut avantageusement être utilisé. Après application de plusieurs couches de bandes superposées, la pièce résultante est durcie, par polymérisation, sous vide par passage dans un four, généralement autoclave. io Dans le cas de résines thermoplastiques, les fibres pré-imprégnées doivent être chauffées à des températures plus élevées, au moins jusqu'à la température de fusion de la résine, soit de l'ordre de 200 °C pour des résines de type nylon, et jusqu'à environ 400°C pour des résines de type PEEK. Une opération de durcissement, dite de 15 consolidation, de la pièce résultante est avantageusement réalisée par la suite par passage dans un four. Le chauffage lors de l'application de la bande peut être réalisé par un système de chauffage de type laser pour obtenir un chauffage précis et concentré. En raison des températures de chauffage élevées, les 20 têtes de placement de fibres sont équipées de rouleaux de compactage métalliques, résistants à la chaleur, qui peuvent en outre être refroidis par l'intérieur via un circuit d'eau. Pour pouvoir s'adapter au profil de la surface d'application, il a été proposé des rouleaux de compactage métalliques segmentés, 25 comprenant plusieurs segments de rouleaux indépendants montés côte à côte sur un même axe, chaque segment étant déplaçable radialement et de manière indépendante, et étant sollicité élastiquement contre la surface d'application. Ces rouleaux métalliques segmentés s'avèrent toutefois de structure et de mise en oeuvre complexes. 30 Des rouleaux souples formés à partir d'un élastomère dit haute température, incluant un stabilisant thermique, ont également été testés. Ces rouleaux se sont toutefois révélés insatisfaisant pour la mise en oeuvre de résines thermoplastiques. Pour permettre l'utilisation d'un rouleau souple aux 35 températures d'utilisation des résines thermoplastiques, il a été proposé, notamment dans le document brevet FR 2 878 779, une tête équipée de
3 deux rouleaux de compactage avec un système de chauffage agissant entre les deux rouleaux et délivrant un rayonnement thermique sensiblement perpendiculaire à la bande, entre les deux rouleaux. Une telle tête à deux rouleaux présente un encombrement plus important qui empêche la dépose de fibres sur certains profils de surface d'application. Par ailleurs, le chauffage des bandes préalablement déposées pour leur adhésion par soudage à la nouvelle bande appliquée se fait uniquement par conduction thermique, ce qui constitue un facteur limitatif de la vitesse d'application des fibres. io Le but de la présente invention est de proposer une solution visant à pallier les inconvénients précités, qui permet notamment la mise en oeuvre d'une grande variété de résines, tant thermodurcissables que thermoplastiques, avec un compactage sensiblement uniforme de la bande appliquée, et qui soit simple de conception et de réalisation. 15 A cet effet, la présente invention propose une machine d'application de fibres pour la réalisation de pièces en matériaux composites comprenant - un rouleau de compactage pour appliquer sur une surface d'application une bande formée d'au moins une fibre plate pré- 20 imprégnée de résine, de préférence formée de plusieurs fibres plates pré-imprégnées de résine, - un système de chauffage apte à émettre un rayonnement thermique en direction de la bande, juste avant son compactage par le rouleau de compactage, 25 caractérisée en ce que ledit rouleau de compactage comprend un cylindre réalisé en un matériau souple ou flexible, déformable élastiquement, et sensiblement transparent audit rayonnement thermique. Selon l'invention, la machine comprend un rouleau de compactage sensiblement transparent au rayonnement thermique émis 30 par le système de chauffage. Dans la présente, on entend par matériau sensiblement transparent au rayonnement thermique , un matériau ayant une absorbance faible dans la ou les longueurs d'ondes dudit rayonnement thermique. Un tel rouleau de compactage permet d'éviter un fort 35 échauffement du rouleau de compactage sur toute son épaisseur dû au rayonnement thermique du système de chauffage dirigé vers le rouleau
4
de compactage. Un échauffement du rouleau de compactage selon l'invention se produit en surface par conduction thermique, du fait de son contact avec la bande chauffée. La suppression d'un fort échauffement du rouleau dû au rayonnement thermique dirigé vers le rouleau, qui semble être à l'origine des dégradations thermiques rapides des rouleaux de compactage souples de l'art antérieur, permet d'obtenir un rouleau de compactage souple thermiquement stable utilisable pour l'application de fibres pré-imprégnées de résine, en particulier de résines thermoplastiques.
Dans le cas de placement de fibres, la machine comprend classiquement des moyens de coupe permettant de couper individuellement les fibres en amont du rouleau de compactage et des moyens de ré-acheminement, disposés en amont des moyens de coupe, pour réacheminer chaque fibre venant d'être coupée vers le rouleau de compactage afin de pouvoir à tout moment stopper et reprendre l'application de la bande, ainsi que faire varier la largeur de bande appliquée. Lorsque la bande appliquée est de largeur réduite, par exemple uniquement de 10 fibres pour une tête de placement à 16 ou 32 fibres, le rouleau reçoit directement le rayonnement thermique, sans fibres intercalées entre la source thermique et le rouleau. Le rouleau de compactage selon l'invention permet d'éviter le fort échauffement dû à ce rayonnement thermique direct, qui semble être à l'origine de la dégradation rapide des rouleaux de compactage souples de l'art antérieur.
La machine selon l'invention, qui comprend un rouleau de compactage simple de conception, offre la possibilité d'utiliser une grande variété de résines thermodurcissables ou thermoplastiques combinées à une grande variété de fibres, synthétiques ou naturelles, hybrides ou non, notamment des fibres couramment employées dans le domaine des composites, telles que les fibres de verre, les fibres de carbone, de quartz, et d'aramide. Selon une particularité, ledit système de chauffage émet un rayonnement infrarouge de longueur(s) d'onde comprise(s) entre 780 nm et 1500 nm, ledit matériau déformable élastiquement ayant donc une faible absorbance au moins dans cette plage de longueurs d'onde comprise entre 780 nm et 1500 nm. De préférence, ledit système de chauffage émet un rayonnement infrarouge de longueur(s) d'onde comprise(s) entre 850 nm et 1100 nm. Selon un mode de réalisation, ledit matériau souple est un élastomère. De préférence, ledit matériau souple est un silicone ou 5 polysiloxane, ou un polyuréthane, de préférence un silicone. Selon un mode de réalisation, ledit matériau souple est l'élastomère silicone translucide vendu sous la dénomination commerciale Silastic T-4. Selon un mode de réalisation, ledit rouleau de compactage comprend un tube central rigide sur lequel est assemblé coaxialement ledit cylindre en matériau souple, ledit tube central, par exemple métallique et/ou de section cylindrique, servant au montage en rotation du rouleau sur une structure support de la machine. Selon un mode de réalisation, ledit rouleau de compactage comprend une couche extérieure anti-adhérente recouvrant ledit cylindre en matériau souple, avantageusement un film anti-adhérent, tel qu'un film PTFE (Polytetrafluoroéthylène), classiquement appelé film téflon, qui est par exemple thermo-rétracté sur le cylindre. Selon un mode de réalisation, ledit système de chauffage est un système de type laser, notamment des diodes laser, un laser YAG ou un laser à fibre. En variante, le système de chauffage peut comprendre une ou plusieurs lampes infrarouge. Selon un mode de réalisation, ladite machine comprend en outre des moyens de régulation thermique aptes à délivrer un flux de gaz, en particulier d'air, en direction du rouleau de compactage, afin de réguler en température, en particulier refroidir, ledit rouleau de compactage par l'extérieur et limiter l'échauffement en surface dudit rouleau par conduction thermique. La présente invention a également pour objet un rouleau de compactage tel que décrit précédemment, pour machine d'application de fibres, comprenant notamment un cylindre en un matériau souple sensiblement transparent à des rayonnements thermiques ayant des longueurs d'onde comprises entre 780 nm et 1500 nm, en particulier entre 850 et 1100 nm.
L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement au cours de la 6 description explicative détaillée qui va suivre d'un mode de réalisation particulier actuellement préféré de l'invention, en référence aux dessins schématiques annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique de côté d'une tête 5 d'application de fibres selon l'invention, comprenant un rouleau de compactage et un système de chauffage ; et, - la figure 2 est une vue schématique en perspective d'un rouleau de compactage selon l'invention. En référence à la figure 1, la machine d'application comprend 10 une tête d'application 1 pour l'application d'une bande 8 de fibres pré-imprégnées de résine, ladite tête comportant un rouleau de compactage 2 qui est monté rotatif autour d'un axe A sur une structure support (non représentée) de la tête, la tête étant montée par ladite structure support à l'extrémité d'un système de déplacement, par exemple un poignet de 15 robot. La tête comprend en outre un système de chauffage 9 monté également sur la structure support, en amont du rouleau par rapport à la direction d'avancement D de la tête d'application lors de l'application de la bande 8 de fibres sur une surface d'application S. Le dispositif de 20 chauffage est par exemple un système de chauffage de type laser, dont le rayonnement est dirigé en direction de la bande, juste avant son compactage, ainsi que vers la ou les bandes déjà déposées. Tel qu'illustré à la figure 1, le rayonnement est ainsi dirigé obliquement vers le rouleau pour chauffer une section de bande disposée sur le rouleau, avant son 25 compactage par ce dernier. Dans le cas d'une machine de placement de fibres, la tête comprend des moyens de guidage qui guident les fibres entrant dans la tête vers le rouleau de compactage 2 sous la forme d'une bande de fibres pré-imprégnées de résine, les fibres de la bande étant disposées côte à 30 côte de manière sensiblement jointives. Par déplacement de la tête par le robot, le rouleau de compactage est amené en contact avec la surface d'application S d'un moule pour appliquer la bande. En référence à la figure 2, le rouleau de compactage selon l'invention comprend un corps cylindrique ou cylindre 3 en un matériau 35 souple, élastiquement déformable par compression, qui est sensiblement transparent au rayonnement émis par le système de chauffage. Le
7 cylindre présente un passage central 31 cylindrique pour son assemblage sur un noyau support formé d'un tube central 4 rigide cylindrique, par exemple métallique. Le cylindre 3 et le tube central 4 sont coaxiaux et sont solidaires en rotation l'un de l'autre. Le cylindre est revêtu extérieurement d'une couche extérieure anti-adhérente 5, formée ici d'un film téflon thermo-rétracté sur la surface extérieure du cylindre. Le cylindre en matériau souple permet au rouleau de compactage de s'adapter aux variations de courbure de la surface d'application et ainsi d'appliquer une pression sensiblement uniforme io sur l'ensemble de la bande déposée. Le tube rigide permet le montage rotatif du rouleau sur la structure support. Le film téflon, par lequel le rouleau est en contact avec la bande, limite l'adhérence du rouleau aux fibres ainsi que l'encrassement du rouleau. A titre d'exemple, le matériau souple sensiblement transparent 15 au rayonnement thermique est un élastomère de type silicone, en particulier l'élastomère silicone vendu sous la dénomination commerciale Silastic T-4 par la société Dow Corning. Le système de chauffage de type laser peut comprendre des diodes laser, disposées en une ou plusieurs rangées, émettant un 20 rayonnement de longueur d'onde comprise entre 880 à 1030 nm par exemple, un laser à fibre optique ou un laser YAG émettant à une longueur d'onde de l'ordre de 1060 nm. Ladite machine peut comprendre en outre des moyens de régulation thermique délivrant un flux d'air, par exemple à température 25 ambiante, de l'ordre de 20°C à 30°C, en direction du rouleau de compactage, afin de refroidir ce dernier par l'extérieur. Le rouleau de compactage peut en outre être muni d'un système de régulation thermique, tel que décrit dans la demande de brevet français, déposée par la demanderesse, le même jour que la présente 30 demande, et ayant pour titre Machine d'application de fibres comprenant un rouleau de compactage souple avec système de régulation thermique . Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec un mode de réalisation particulier, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée 35 et qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Machine d'application de fibres pour la réalisation de pièces en matériaux composites comprenant un rouleau de compactage (2) pour appliquer sur une surface d'application (S) une bande (8) formée d'au moins une fibre plate pré-imprégnée de résine, et un système de chauffage apte à émettre un rayonnement thermique en direction de la bande, caractérisée en ce que ledit rouleau de compactage comprend un cylindre (3) réalisé en un matériau souple, déformable élastiquement, et sensiblement transparent audit rayonnement thermique.
  2. 2. Machine d'application de fibres selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit système de chauffage (9) émet un rayonnement infrarouge de longueur(s) d'onde comprise(s) entre 780 nm et 1500 nm.
  3. 3. Machine d'application de fibres selon la revendication 2, caractérisée en ce que ledit système de chauffage (9) émet un rayonnement infrarouge de longueur(s) d'onde comprise(s) entre 850 et 1100 nm.
  4. 4. Machine d'application de fibres selon l'une des 20 revendications 1 à 3, caractérisée en ce que ledit matériau souple est un élastomère.
  5. 5. Machine d'application de fibre selon la revendication 4, caractérisée en ce que ledit matériau souple est un silicone ou un polyuréthane. 25
  6. 6. Machine d'application de fibres selon la revendication 5, caractérisée en ce que ledit matériau souple est l'élastomère silicone translucide vendu sous la dénomination commerciale Silastic T-4.
  7. 7. Machine d'application de fibres selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que ledit rouleau de compactage 30 (2) comprend un tube central (4) rigide sur lequel est assemblé coaxialement ledit cylindre (3) en matériau souple.
  8. 8. Machine d'application de fibres selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que ledit rouleau de compactage comprend une couche extérieure anti-adhérente (5) recouvrant ledit 35 cylindre (3) en matériau souple. 2948059 io
  9. 9. Machine d'application de fibres selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que ledit système de chauffage (9) est un système de type laser.
  10. 10. Machine d'application de fibres selon l'une des 5 revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre des moyens de régulation thermique aptes à délivrer un flux de gaz en direction du rouleau de compactage, afin de réguler en température ledit rouleau de compactage par l'extérieur.
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