FR3056143A1 - Systeme de decoupe de fibres de carbone pour procede smc - Google Patents

Systeme de decoupe de fibres de carbone pour procede smc Download PDF

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Christophe Peyre
Sébastien MICHON
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Abstract

Système (10) de découpe d'au moins un fil de carbone (20), comportant au moins un moyen de coupe transversale (50) du fil de carbone, caractérisé en ce qu'il comporte successivement de l'amont vers l'aval dans un sens de déroulement du fil de carbone (20), et en amont du moyen de coupe transversale (50) : - au moins un moyen d'étalement (60) du fil de carbone (20) afin de réduire son épaisseur et augmenter sa largeur ; et - au moins un moyen d'ouverture (70) des fils de carbone (20) ainsi étalés.

Description

056 143
50721 ® RÉPUBLIQUE FRANÇAISE
INSTITUT NATIONAL DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE © N° de publication :
(à n’utiliser que pour les commandes de reproduction)
©) N° d’enregistrement national
COURBEVOIE
©) Int Cl8 : B 29 C 70/54 (2017.01), B 29 C 70/18, B 26 D 9/00, 7/ 27, B 65 H 51/005, B 29 B 15/08
DEMANDE DE BREVET D'INVENTION A1
©) Date de dépôt : 30.01.17. © Demandeur(s) : COMPAGNIE PLASTIC OMNIUM
(30) Priorité : 20.09.16 FR 1658797. Société anonyme — FR.
©) Inventeur(s) : PEYRE CHRISTOPHE et MICHON
Sébastien.
(43) Date de mise à la disposition du public de la
demande : 23.03.18 Bulletin 18/12.
©) Liste des documents cités dans le rapport de
recherche préliminaire : Se reporter à la fin du
présent fascicule
(© Références à d’autres documents nationaux ©) Titulaire(s) : COMPAGNIE PLASTIC OMNIUM
apparentés : Société anonyme.
©) Demande(s) d’extension : ©) Mandataire(s) : LLR.
PA SYSTEME DE DECOUPE DE FIBRES DE CARBONE POUR PROCEDE SMC.
FR 3 056 143 - A1 yV) Système (10) de découpe d'au moins un fil de carbone (20), comportant au moins un moyen de coupe transversale (50) du fil de carbone, caractérisé en ce qu'il comporte successivement de l'amont vers l'aval dans un sens de déroulement du fil de carbone (20), et en amont du moyen de coupe transversale (50):
- au moins un moyen d'étalement (60) du fil de carbone (20) afin de réduire son épaisseur et augmenter sa largeur; et
- au moins un moyen d'ouverture (70) des fils de carbone (20) ainsi étalés.
Figure FR3056143A1_D0001
Figure FR3056143A1_D0002
L'invention concerne le domaine technique des produits et semi-produits pour le moulage de pièce en matière plastique renforcée.
En particulier l’invention concerne un équipement pour découper en brins plus courts des fibres de carbone continues enroulées sous forme de fils autour d’une bobine, afin d’être utilisées dans un procédé de fabrication de feuille de matière plastique renforcée destinée au moulage de pièce.
Dans le domaine de l’automobile par exemple, de nombreuses pièces doivent allier résistance mécanique et faible poids.
Pour ce faire, il est connu de remplacer des pièces en acier par des pièces en matière plastique renforcée (thermodurcissables ou thermoplastiques). Ces matières sont constituées d’éléments de renfort mélangés avec une résine de polymère. On connaît par exemple les matières plastiques renforcées de type SMC (de l’anglais « sheet moulding compound »).
Dans le cas le plus courant, une feuille de SMC est constituée de résine thermodurcissable (polyester par exemple) qui imprègne des éléments de renfort à base de fibres (fibres courtes, unidirectionnel, mat, tissu ...), telles que des fibres de verre. Elle comporte généralement un catalyseur (durcisseur) et éventuellement des charges ou autres additifs.
Une feuille de SMC est élaborée par imprégnation de fibres de renfort déposées, lors de la fabrication, en sandwich entre deux films de résine.
Le procédé de fabrication d’une feuille de SMC est appelé « procédé SMC ».
Dans l’étape dite de « compoundage » du procédé SMC, c’est-à-dire dans l’étape de mélange d’une résine thermodurcissable avec des fibres de renfort, la fibre est reçue sous forme de bobine, puis elle est coupée en ligne sur une machine à l’aide de coupeurs dits conventionnels.
Ces coupeurs conventionnels sont composés d’un rouleau porte lames venant couper la fibre par pression contre un rouleau généralement en polyuréthane (PU). La rotation du coupeur entraîne la fibre et par conséquent provoque le déroulement des bobines de fil de renfort.
Le procédé SMC utilise principalement la fibre de verre comme renfort. Les fibres de verre généralement utilisées sont sous forme de bobine, dite de « roving assemblé » de fibre de verre. Une telle bobine est un ensemble de plusieurs brins unitaires. Chaque brin unitaire, de 50 à 100 tex (g/km) chacun et de largeur d’environ 0,5mm, comporte un ensemble de filaments élémentaires de verre de 12 à 20 micromètres de diamètre. Généralement une bobine de fibre de verre a une masse linéique de 2200 à 4800 tex.
Cette structure dite de « roving assemblé » permet ainsi un bon éclatement de cette structure lors de la phase de coupe, c’est-à-dire une bonne séparation des brins unitaires. Cette structure permet ainsi, après découpe en bâtonnets (brin coupé dans sa longueur), une distribution relativement homogène d’un tapis de bâtonnets de fibres de verre de 50 à 100 tex, de 0,5mm de large, et de longueur définie par l’espacement des lames, généralement 12, 25 ou 50mm.
On connaît également des pièces en matière plastique renforcée dont les éléments de renfort sont des fibres de carbone. La fibre de carbone se compose de fibres extrêmement fines (filaments), d'environ 5 à 10 micromètres de diamètre,
Pour fabriquer de telles pièces, à partir d’un procédé SMC, la fibre de carbone est également présentée sous forme de bobine mais pas sous forme de « roving assemblé », mais sous forme de « roving direct ».
Un « roving direct » est un ensemble de plusieurs milliers de filaments formant l’équivalent d’un fil (monobrin) de 12K, 24K, 48K par exemple (respectivement 12000, 24000, 48000 filaments de fibres de carbone), correspondant à des masses linéiques respectives d’environ 800, 1600 et 3200 tex. Ainsi, chaque fil de « roving direct» (ou monobrin) est un ensemble de filaments de carbone.
Cependant, en utilisant les systèmes actuels, prévus pour découper des brins de fibres de verre, pour découper des fils de fibres de carbone, la coupe ne génère pas de séparation (ouverture, désassemblage) des filaments élémentaires constituant le fil de carbone : ainsi, après découpe on obtient des brins en forme de bâtonnets plats et rectangulaires, restés compact, d’environ 10mm de large, et de longueur définie, (généralement 12, 25 ou 50mm), constitués de fibres de carbone d’au moins 800 tex (800 tex en 12K, 1600 tex en 24K, 3200 tex en 50K).
De ce fait, lors de l’étape de mélange de la résine thermodurcissable avec des fibres de renfort, il n’est pas possible d’obtenir une distribution suffisamment homogène à partir d’un tapis de bâtonnets de bobine de carbone permettant de fabriquer une feuille de SMC dont les caractéristiques mécaniques soient assez homogènes pour réaliser une pièce structurelle.
Par ailleurs, pour obtenir une feuille de matière plastique renforcée ayant des propriétés homogènes, il est nécessaire d’avoir une bonne imprégnation des fibres de renfort par la résine. La qualité de l’imprégnation est conditionnée par une bonne pénétration de la résine au travers de la couche de fibres de renfort. Or, le manque d’ouverture des « rovings directs » de fibres de carbone lors de la découpe en bâtonnet, gêne la pénétration de la résine entre les fibres, et donc la qualité d’imprégnation.
Le manque d’ouverture des « rovings directs » de fibres de carbone lors de la découpe en bâtonnets, impacte également la capacité de fluage de la matière lors de sa phase de moulage ainsi que son niveau de performances mécaniques.
L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients en fournissant un équipement permettant de découper des bobines de fibres de carbone, en bâtonnets dont les fibres présentent un degré de désassemblage permettant de fabriquer des feuilles de matières plastiques renforcées ayant une homogénéité de répartition et une imprégnation des fibres de carbone par la matière plastique (résine), aptes au moulage de pièces structurelles.
Le système de découpe y parvient en intégrant notamment un moyen de séparation longitudinal (c’est-à-dire une séparation parallèle à la direction d’avance) permettant de créer des fils de carbone ayant une largeur de l’ordre de 10 à 20 fois inférieure à celle du fil de carbone initial, de préférence sensiblement équivalente à celle des brins de fibre de verre (de l’ordre de 0,5mm).
Ainsi, l’invention a pour objet un système de découpe d'au moins un fil de carbone, comportant au moins un moyen de coupe transversale du fils de carbone. Le système comporte successivement de l'amont vers l'aval (selon le sens de déroulement du fil de carbone dans le système) et en amont du moyen de coupe transversale :
au moins un moyen d’étalement du fil de carbone afin de réduire son épaisseur et augmenter sa largeur ; et au moins un moyen d’ouverture des fils de carbone ainsi étalés.
Le système selon l’invention permet d’améliorer la qualité du tapis de renfort, c’est-àdire : l’homogénéité de la masse surfacique de fibres de renfort déposées ; une meilleure isotropie de la distribution de fibres (les fibres sont orientées aléatoirement dans toutes les directions) ; une amélioration de la qualité d’imprégnation et ainsi d’augmenter sensiblement les caractéristiques mécaniques et la faculté d’écoulement lors de la phase de transformation par moulage.
Le système peut en outre comporter l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison :
le moyen d’étalement comporte un ensemble de rouleaux successifs espacés, le fil de carbone passant alternativement dessus et dessous les rouleaux afin de répartir des filaments constituants le fil de carbone sur une plus grande largeur ; le moyen d’ouverture comporte seul ou en combinaison au moins l’un des moyens suivants : un moyen de coupe longitudinale ; au moins un rouleau muni de picots ; au moins un rouleau muni de stries.
le moyen de coupe longitudinale comporte au moins un ensemble de lames sensiblement alignées sur un même axe ;
le moyen de coupe longitudinale comporte plusieurs ensembles de lames, les axes d’alignement des ensembles de lames étant parallèles entre eux, et les lames étant décalées, dans la largeur des fils, d’un ensemble à un autre ;
l’axe d’alignement est perpendiculaire à la direction de déroulement des fils ; les lames sont sensiblement circulaires en rotation autour de l’axe d’alignement ; le fil de carbone est enroulé autour d’au moins une bobine, le moyen de coupe transversale de fils de carbone permettant également le déroulement du fil de carbone selon une direction de déroulement ;
on utilise plusieurs bobines de fibres de carbones et le système comporte en amont du moyen d’étalement des fils un dispositif de guidage des fils, adapté à guider chaque fil déroulé d’une bobine de façon à ce qu’à l’entrée du moyen d’étalement, les fils soient parallèles entre eux, et régulièrement espacés ; le peigne est dimensionné de façon à calibrer cette distance afin qu’en sortie du moyen d’étalement, les fils étalés forment une unique nappe homogène et de masse surfacique donnée.
L’invention concerne également un système pour fabriquer une feuille en matière plastique renforcée pour le moulage, comportant au moins un convoyeur mobile selon une direction, un premier système d’apport de matière plastique sur le convoyeur positionné à l’extrémité amont du convoyeur, au moins un moyen d’apport de fibre permettant de déposer des fibres de renfort sur la matière plastique déposée sur le convoyeur par le premier système d’apport de matière plastique ; le moyen d’apport de fibre comporte un système de découpe de fils de carbone selon l’invention.
L’invention concerne également procédé pour découper en bâtonnets des fibres de carbone enroulées sous forme de fils autours d’au moins une bobine, les bâtonnets étant utilisables dans un procédé de type SMC, dans lequel on réalise les étapes suivantes :
on déroule au moins un fil de fibres de carbone de la bobine ; on étale le fil de fibres de carbone ;
on ouvre le fil de fibres de carbone ainsi étalé en plusieurs fils de carbone ayant une largeur inférieure au fil à découper;
on coupe transversalement chaque fil de fibres de carbone ainsi obtenus.
Selon l’invention, on peut couper le fil longitudinalement de façon à obtenir des fils ayant une largeur n’excédant pas 2mm, et de préférence sensiblement égale à 0,5mm.
L’invention concerne également un procédé de fabrication d’une feuille en matière plastique renforcée pour le moulage, dans lequel la matière plastique est mise en mouvement par un convoyeur tout en réalisant les étapes suivantes :
a) on dépose une première couche de matière plastique sur le convoyeur ; puis
b) on découpe en bâtonnets des fils de carbone enroulés autours d’une bobine, en mettant en oeuvre le procédé selon l’invention pour découper en bâtonnets des fibres de carbone ;
c) on dépose une couche de bâtonnet de fibres de carbone sur ladite première couche de matière plastique ; puis
d) on dépose une seconde couche de matière plastique sur la couche de bâtonnets ;
e) on imprègne des bâtonnets par les deux couches de matière plastique afin d’obtenir une répartition homogène des bâtonnets dans l’épaisseur de la feuille.
L'invention sera mieux comprise à la lecture des figures annexées, qui sont fournies à titre d'exemples et ne présentent aucun caractère limitatif, dans lesquelles :
la figure 1 illustre schématiquement, selon une vue de profil, un mode de réalisation d’un système selon l’invention pour découper des fils de carbone ; la figure 2 illustre schématiquement, selon une vue de dessus, le mode de réalisation du système selon l’invention de la figure 1 ;
la figure 3 illustre un coupeur dit conventionnel;
la figure 4 illustre, selon une vue de profil, un mode de réalisation d’un système selon l’invention pour découper des fils de carbone ;
la figure 5 illustre une vue 3D du mode de réalisation du système selon l’invention de la figure 4 ;
la figure 6 illustre une vue 3D d’un mode de réalisation d’un système selon l’invention pour découper des fils de carbone, comportant un moyen de coupe longitudinale ;
la figure 7 illustre un moyen de coupe longitudinale ;
la figure 8 illustre un détail de la figure 7, illustrant les lames et les stries associées ;
les figures 9A et 9B illustrent des exemples de moyen de coupe longitudinale des fils de carbone ;
la figure 10 illustre un rouleau d’ouverture comportant des picots ; la figure 11 illustre un picot tels que présent sur la figure 10 ; la figure 12 illustre un rouleau d’ouverture muni de stries ; la figure 13 illustre en détail les stries de la figure 12 ; et la figure 14 illustre un mode de réalisation d’un système selon l’invention pour fabriquer une feuille en matière plastique renforcée pour le moulage.
Sur les figures 1, 2, 5 et 6, les flèches épaisses indiquent le sens d’avancement des fils de carbone 20. Ainsi, sur la figure 5, la flèche en haut à droite indique l’arrivée des fils de carbone 20 ; la flèche du centre (faisant un angle) indique la sortie des fils de carbone 20 après étalement et ouverture, mais avant la coupe transversale ; enfin, la flèche verticale en bas indique la sortie des bâtonnets 40.
On se réfère maintenant aux figures 1 et 2 qui illustrent schématiquement un mode de réalisation d’un système 10 selon l’invention pour découper des fibres de carbone enroulées sous forme de fil de carbone 20 autour d’au moins une bobine 30, en bâtonnets 40, de dimension plus réduite, pouvant être utilisés dans un procédé de type SMC. Un bâtonnet est un morceau de fil de carbone, issu d’une coupe transversale d’un fil de carbone.
Des bâtonnets sont utilisables dans un procédé de type SMC, lorsque les bâtonnets ont des propriétés géométriques permettant de fabriquer des feuilles de SMC ayant une parfaite imprégnation des fibres de carbone par la matière plastique (résine). Ce type de bâtonnets a notamment une largeur n’excédant pas 2mm (de préférence sensiblement égale à 0,5mm).
Le système 10 selon l’invention, comporte au moins un moyen de coupe transversale 50 de fils de carbone permettant également le déroulement des fils de carbone 20 selon une direction d’avance (indiquée par une flèche sur les figures 1 et 2). Il comporte successivement de l’amont vers l’aval et en amont du moyen de coupe transversale 50 :
au moins un moyen d’étalement transversal 60 des fils de carbone 20 afin de réduire leur épaisseur et augmenter leur largeur ; et au moins un moyen d’ouverture 70 des fils de carbone 20 ainsi étalés.
Le système 10 selon l’invention permet de couper des fils de carbones 20 ayant des dimensions sensiblement équivalentes aux brins de fibre de verre utilisés dans un procédé de type SMC.
Le moyen de coupe transversale 50 (figure 3)
Comme l’illustre la figure 3, le moyen de coupe transversale 50 peut être un coupeur dit conventionnel. Il peut être composé de trois rouleaux.
Un rouleau presseur 51 a pour fonction de presser le fil 20 contre un rouleau 52 en polyuréthane (PU). Un rouleau porte lames 53 a pour fonction de couper le fil 20 perpendiculairement à sa longueur, c’est-à-dire en tronçons de longueur donnée, par pression contre le rouleau en polyuréthane (PU).
La rotation du rouleau porte lames entraîne le fil 20 et par conséquent le déroulement des bobines.
Le moyen d’étalement 60 des fils (figures 4 et 5)
Le moyen d’étalement 60 des fils de carbone a pour fonction de déployer les fils 20 dans leur largeur, en les écrasant afin de répartir les filaments sur une plus grande largeur, et rendre le fil le plus plat possible. Toutefois, les fils restent « solidaires » les uns des autres, ils ne sont pas séparés car le moyen d’étalement n’a pas la fonction d’ouverture des fils de carbone.
Ainsi, le moyen d’étalement 60 des fils de carbone permet de réduire l’épaisseur des fils 20 et d’augmenter leur largeur. Il comporte en ensemble de rouleaux, qui peuvent être en aluminium.
Selon un mode réalisation illustré sur les figures 1 et 2, le moyen d’étalement 60 comporte au moins trois rouleaux successifs espacés. Les fils passent alternativement dessus/dessous les rouleaux. L'entraxe et le positionnement des rouleaux les uns par rapports aux autres sont ajustables (en début de production, ou en continu suivant une boucle de contrôle) pour régler la tension du fil, et donc son étalement. On peut ainsi régler le degré d’étalement, c’est-à-dire l’épaisseur et la largeur des fils de carbone en sortie du moyen d’étalement 60.
Les fils 20 sont alors étalés dans ce moyen 60 d’étalement, c’est-à-dire que les fils passent alternativement au moins dessus/dessous au moins trois rouleaux pour être étalés.
Selon un mode de réalisation les cylindres peuvent être régulés en température et en vibration afin de favoriser l’étalement des fils 20.
Selon un mode de réalisation (figures 1 et 2), le moyen d’étalement 60 comporte un ensemble de rouleaux (par exemple trois sur les figures 1 et 2) lisses, parallèles entre eux, dont les axes sont perpendiculaires à la direction d’avance. Les fils 20 passent alternativement au-dessus d’un rouleau puis en-dessous du suivant. Les fils 20 passent successivement entre deux rouleaux dont l'écartement est ajusté. Les rouleaux du moyen 60 sont ajustés de façon à ce qu’en sortie, l’épaisseur des fils 20 soit sensiblement égale à une épaisseur donnée.
Selon un mode réalisation illustré sur les figures 4 et 5, le moyen d’étalement 60 comporte six rouleaux successifs espacés, par exemple :
un rouleau R1 munis de logement formant des rainures (rainures de 20mm de largeur chacune centrées sur le rouleau) ; le diamètre intérieur est de 30mm, et le diamètre extérieur est de 40mm ; le rouleau est en aluminium anodisé, et il est monté fixe ; on met un fil dans chaque rainure de 20mm, le nombre de rainure étant défini en fonction de la tolérance de la masse surfacique de carbone voulue ; un rouleau R2 lisse, de diamètre 30mm, en aluminium anodisé, et monté fixe ; un rouleau R3 munis de rainures (rainures de 20mm de largeur chacune centrées sur le rouleau) ; le diamètre intérieur est de 30mm ; le rouleau est en aluminium anodisé, et il est monté fixe ;
un rouleau R4 munis de rainures (rainures de 25mm de largeur chacune centrées sur le rouleau), le diamètre intérieur est de 30mm ; le rouleau est en aluminium anodisé, et il est monté fixe ;
éventuellement un rouleau R5 lisse, de diamètre 30mm, en aluminium anodisé, et monté fixe. Le rouleau R5 est muni d'un vibrateur axial ; la vibration axiale permet d’améliorer l’étalement ;
un rouleau R6 lisse, de diamètre 30mm, en aluminium anodisé, sur palier et monté rotatif.
Les rayons, entraxe, matériau, finition des rouleaux peuvent être adaptés selon les besoins par l’homme du métier.
Afin de garantir un étalement optimal, les premiers rouleaux sont montés fixes.
De préférences, les rainures des rouleaux R1 / R3 / R4 sont en faces les unes des autres pour garder l’alignement des fils de carbone.
Le moyen d’ouverture 70 des fils (figures 9A et 9B, 4, 5 et 7 à 13)
Le moyen d’ouverture 70 des fils a pour fonction séparer des groupes de filaments selon toute la longueur du fil, autrement dit à diviser dans sa largeur, un fil en plusieurs fils de largeur plus petite. De façon avantageuse, tous les fils de largeur plus petite comportent le même nombre de filaments.
Au moins trois modes de réalisations du moyen d’ouverture 70 sont décrits ci-après :
i. le moyen d’ouverture 70 est un moyen de coupe longitudinale ;
ii. le moyen d’ouverture 70 comporte des rouleaux 72 munis de picots 74 ;
iii. le moyen d’ouverture 70 comporte des rouleaux 76 munis de stries 78.
Une combinaison de deux ou trois de ces modes de réalisation peut être avantageuse. Par exemple, selon le mode de réalisation illustré sur les figures 4 et 5, le moyen d’ouverture 70 comporte successivement un rouleau à picot, puis deux rouleaux à stries.
i. Moyen de coupe longitudinale 70 (figures 6 et 7 et 8)
Le moyen de coupe longitudinale 70 des fils a pour fonction de couper selon sa longueur un fil en plusieurs fils de largeur plus petite. De façon avantageuse, chaque fil de largeur plus petite comporte le même nombre de filaments.
La figure 6 illustre un exemple de réalisation de système 10 muni d’un tel moyen de coupe 70.
Comme l’illustre la figure 7, le moyen de coupe longitudinale 70 peut comporter au moins un ensemble de lames 80, par exemple circulaires en rotation autour d’un même arbre 82 perpendiculaire à la direction d’avance des fils. Les lames 80 sont ainsi positionnées dans la longueur du fil 20, en contact avec ce dernier. Tout autre moyen de coupe peut être envisagé tel que : jet d’eau, laser, couteaux non tournants...
Les lames 80 coupent les fils dans leur longueur par pression contre un contrerouleau 84, en polyuréthane (PU) par exemple. De préférence le contre-rouleau comporte des stries 86, permettant de guider la coupe longitudinale des lames 80.
L’espacement L entre les lames détermine la largeur finale L des bâtonnets 40 de fibre de carbone. Chaque lame est espacée afin d’obtenir un ensemble de fils de largeur n’excédant pas 2mm. De préférence, les lames sont espacées d’environ 0,5mm afin d’obtenir un ensemble de fils de largeur proche de 0,5mm.
Selon l’exemple des figures 7 et 8, le moyen de coupe longitudinale 70 comporte : un arbre 82 muni de douze lames 80 espacées de deux 2mm ; un contre-rouleau 84 de coupe avec douze stries 86 espacées de 2mm.
De préférence, les lames 80 ne viennent pas en contact avec le fond des stries 86 comme l’illustre la figure 8. L’arbre 82 et le contre-rouleau 84 sont motorisés.
La figure 9A illustre l’exemple de moyen de coupe longitudinale 70 des fils comportant un seul ensemble de lames 80.
Selon un autre mode de réalisation illustré sur la figure 9B, le moyen de coupe longitudinale 70 des fils comporte plusieurs ensemble de lames 80 situées sur deux rouleau différents, les lames du 1er rouleau étant positionnées en alternance par rapport aux lames du 2ème rouleau. De cette façon, les fils étalés sont coupés par un premier ensemble de lames 80, et ont une première largeur, puis ils sont à nouveau coupés par un second ensemble de lames. Comme les lames sont décalées, les fils sont recoupés et ont une seconde largeur inférieure à la première largeur.
De cette façon, l’espacement entre les lames peut être plus grand que L par exemple 2L, mais les fils coupés par tous les ensembles de lames ont ainsi finalement une largeur L (voir figure 9B).
De préférence, on utilise plusieurs bobines de fibres de carbones comme l’illustre les figures 4 et 5.
Dans ce cas, le système 10 comporte en amont du moyen d’étalement 60 des fils un dispositif de guidage 65 (voir figures 1 et 2), tel qu’un peigne. Ce dispositif de guidage a pour fonction de guider chaque fil déroulé d’une bobine de façon à ce qu’à l’entrée du moyen d’étalement 60, les fils soient parallèles entre eux et régulièrement espacés (la distance entre chaque fil est identique). De façon avantageuse, le peigne est dimensionné de façon à calibrer cette distance afin qu’en sortie du moyen d’étalement 60, les fils 20 étalés forment une unique nappe homogène et de masse surfacique maîtrisée.
Une nappe constitue ainsi un ensemble de fils de carbone étalés et disposés bord à bord. II n’y a donc pas d’espace entre les fils formant la nappe, de façon à ce que la nappe présente une homogénéité de masse.
ii. Rouleaux munis de picots (figures 10 et 11)
Le moyen d’ouverture 70 peut comporter un ensemble de rouleaux 72, fixes ou rotatifs, munis de picots 74. Les picots 74 des rouleaux 72 ont pour fonction de séparer des groupes de filaments selon la longueur du fil, autrement dit à séparer dans sa largeur, un fil en plusieurs fils de largeurs plus petites.
Un exemple de rouleau utilisé est illustré sur la figure 10. La figure 11 illustre en détail une géométrie de picot 74 particulièrement bien adaptée à l’ouverture des fils. En effet, la tête pointue et fine, permet de se positionner entre deux filament et de les écarter l’un de l’autre, lorsque le rouleau tourne, ou lorsque le fil avance sur le rouleau.
Selon un exemple, un picot 74 mesure 7mm en hauteur, la partie pointue mesure 4mm, les pointes des picots sont espacées de 2mm, et la base d’un picot 74 peut avoir un diamètre de 2mm.
Selon un exemple particulier de réalisation illustré sur la figure 4, le moyen d’ouverture 70 comporte un rouleau R7 muni de 5700 picots répartis tout autour d’une portion de rouleau de 300mm. Le rouleau peut être réalisé en Inox 304. De préférence le rouleau est rotatif. Sur cette figure 4, un moyen de réglage A de l’écartement entre les rouleaux alternés (pour régler la tension).
iii. Rouleaux munis de stries (figures 12 et 13)
Le moyen d’ouverture 70 peut comporter un ensemble de rouleaux 76, fixes ou rotatifs, munis de stries 78. Les stries 78 des rouleaux ont pour fonction de séparer des groupes de filaments selon la longueur du fil, autrement dit à séparer dans sa largeur, un fil en plusieurs fils de largeurs plus petites.
Un exemple de rouleau strié 76 utilisé est illustré sur la figure 12. La figure 13 illustre en détail une géométrie de strie particulièrement bien adaptée à l’ouverture des fils. En effet, chaque strie et séparée par une arête pointue qui permet de se positionner entre deux filament et de les écarter l’un de l’autre, lorsque le rouleau tourne, ou lorsque le fil avance sur le rouleau.
Selon un exemple, une strie à une profondeur de 3,5mm.
Selon un exemple particulier de réalisation illustré sur la figure 4, le moyen d’ouverture 70 comporte deux rouleaux R8 et R9 munie de stries.
Le premier rouleau R8 a un diamètre intérieur de 30mm, et un diamètre extérieur de 40mm. Chaque strie a une profondeur de 3,5mm. Les stries sont espacées avec un pas de 2mm.
Le second rouleau R9 a un diamètre intérieur de 30mm, et un diamètre extérieur de 40mm. Chaque strie à une profondeur de 1, 75mm. Les stries sont espacées avec un pas de 2mm.
Les rouleaux peuvent être réalisés en Inox. Ils sont de préférence rotatifs.
De façon avantageuse le moyen d’ouverture 70 comporter au moins un rouleau munis de picots, suivi d’au moins un rouleau muni de stries. En effet, les picots permettent d’éclater le fil de carbone pour améliorer l’ouverture des filaments par les rouleaux striés.
L’invention concerne également une installation de production 90 (figure 14) pour fabriquer une feuille en matière plastique renforcée pour le moulage.
Un tel système 90 comporte au moins un convoyeur 91, ou tapis, mobile selon une direction, puis successivement de l’amont vers l’aval selon le sens d’avance du convoyeur, différents postes de dépose :
un premier moyen d’apport 92 de résine sur le convoyeur comportant un moyen 93 permettant d’assurer une épaisseur de résine sur le convoyeur, constante sur toute la largeur du convoyeur ;
un moyen de distribution de fibres de carbone 94, permettant de déposer, de façon homogène, des fibres de carbone, issues du système 10, sur la couche de résine; un second moyen d’apport 95 de résine par-dessus les fibres comportant une racle 96 permettant d’assurer une épaisseur de résine sur le convoyeur constante sur toute la largeur du convoyeur.
Généralement, on utilise un film protecteur (par exemple de polyéthylène) pour les deux étapes de dépose de résine, de façon à ce que l’ensemble soit pris en sandwich par deux films protecteurs. Le premier moyen d’apport de résine dépose ainsi la résine sur un premier film protecteur évitant le contact entre le convoyeur et la résine, puis le second moyen d’apport de résine dépose la résine sur un second film protecteur recouvrant l’ensemble des couches déposées sur le convoyeur.
Le système 90 comporte un système 10 selon l’invention pour découper des fibres de carbone, et permettant d’alimenter en fibres de carbones le moyen de distribution de fibres de carbone 94.
L’invention concerne également un procédé pour découper en bâtonnets des fibres de carbone enroulées sous forme de fils autour d’une bobine, les bâtonnets étant utilisables dans un procédé de type SMC.
Le procédé utilise le système 10 selon l’invention afin d’obtenir des bâtonnets de fibres de carbone ayant des dimensions (longueur, largeur et épaisseur) compatibles avec un procédé de type SMC. On dit que les fibres de carbone sont compatibles, lorsque leurs dimensions permettent une répartition homogène sur un convoyeur et une imprégnation de qualité, sensiblement identique à l’imprégnation obtenue avec les fibres de verre issues de roving assemblé.
Ainsi, on souhaite couper des fils de carbone enroulés sous forme de bobine, afin d’obtenir des bâtonnets ayant une largeur inférieure à 2mm, de préférence voisine de 0,5mm.
Le procédé de découpe selon l’invention comporte les étapes suivantes : on déroule au moins un fil de carbone d’une bobine ;
on étale le fil de carbone afin de le rendre le plus plat possible, c’est-à-dire que l’on répartit les filaments constituant le fil sur une plus grande largeur (on vise à ce que tous les filaments soient parallèles entre eux) ;
on ouvre (coupe longitudinale, séparation par rouleaux striés ou à picots) le fil de fibres de carbone ainsi étalé en plusieurs fils de carbone ayant une largeur inférieure à 2mm, de préférence, une largeur voisine de 0,5mm ;
on coupe transversalement chaque fil de fibres de carbone ainsi obtenus.
Le système 10 est calibré de façon à ce que les fils de fibres de carbones aient une largeur inférieure à 2mm, de préférence de l’ordre de 0,5mm.
De préférence, le système est calibré de façon à ce que les fils de fibres de carbones aient une longueur comprise entre 13 et 50mm.
Ce procédé permet de fabriquer des bâtonnets permettant la formation d’un tapis de fibres de carbone similaire à ceux actuellement obtenus avec la fibre de verre, et pouvant, de fait, permettre une bonne imprégnation de la couche de renfort.
De préférence, on utilise plusieurs bobines de fibres de carbones comme l’illustre les figures 1 et 2.
Dans ce cas, avant l’étape d’étalement, on guide les fils déroulés de chaque bobine, au moyen du peigne 65, de façon à ce qu’à l’entrée du moyen d’étalement 60, les fils soient parallèles entre eux et régulièrement espacés (la distance entre chaque fil est identique).
De préférence, on dimensionne le peigne de façon à calibrer cette distance afin qu’en sortie du moyen d’étalement 60, les fils 20 étalés forment une unique nappe homogène et de masse surfacique maîtrisée.
L’invention concerne également un procédé de fabrication d’une feuille en matière plastique renforcée pour le moulage, dans lequel la matière plastique est mise en mouvement par un convoyeur tout en réalisant les étapes suivantes :
a) on dépose une première couche de matière plastique sur le convoyeur ; puis
b) on découpe en bâtonnets des fils de carbone enroulés autours d’une bobine, en mettant en oeuvre le procédé selon l’invention pour découper en bâtonnets des fibres de carbone ;
c) on dépose une couche de bâtonnet de fibres de carbone sur ladite première couche de matière plastique ; puis
d) on dépose une seconde couche de matière plastique sur la couche de bâtonnets ;
e) on imprègne des bâtonnets par les deux couches de matière plastique afin 10 d’obtenir une répartition homogène des bâtonnets dans l’épaisseur de la feuille.
On peut également favoriser l’imprégnation des bâtonnets en faisant passer l’ensemble dans un calandreur.

Claims (14)

  1. REVENDICATIONS
    1. Système (10) de découpe d’au moins un fil de carbone (20), comportant au moins un moyen de coupe transversale (50) du fil de carbone, caractérisé en ce qu’il comporte successivement de l’amont vers l’aval dans un sens de déroulement du fil de carbone (20), et en amont du moyen de coupe transversale (50) :
    au moins un moyen d’étalement (60) du fil de carbone (20) afin de réduire son épaisseur et augmenter sa largeur ; et au moins un moyen d’ouverture (70) des fils de carbone (20) ainsi étalés.
  2. 2. Système (10) selon la revendication 1, dans lequel le moyen d’étalement (60) comporte un ensemble de rouleaux successifs espacés, le fil de carbone (20) passant alternativement dessus et dessous les rouleaux afin de répartir des filaments constituants le fil de carbone (20) sur une plus grande largeur.
  3. 3. Système (10) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le moyen d’ouverture (70) comporte seul ou en combinaison au moins l’un des moyens suivants :
    - un moyen de coupe longitudinale ;
    - au moins un rouleau muni de picots ;
    - au moins un rouleau muni de stries.
  4. 4. Système (10) selon la revendication 3, dans lequel le moyen de coupe longitudinale (70) comporte au moins un ensemble de lames (80) sensiblement alignées sur un même axe.
  5. 5. Système (10) selon la revendication 3, dans lequel le moyen de coupe longitudinale (70) comporte plusieurs ensembles de lames (80), les axes d’alignement des ensembles de lames étant parallèles entre eux, et les lames (80) étant décalées, dans la largeur des fils, d’un ensemble à un autre.
  6. 6. Système (10) selon l’une des revendications 4 et 5, dans lequel l’axe d’alignement est perpendiculaire à la direction de déroulement des fils.
  7. 7. Système (10) selon l’une des revendications 4 à 6, dans lequel les lames (80) sont sensiblement circulaires en rotation autour de l’axe d’alignement.
  8. 8. Système (10) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le fil de carbone (20) est enroulé autour d’au moins une bobine (30), le moyen de coupe transversale (50) de fils de carbone permettant également le déroulement du fil de carbone (20) selon une direction de déroulement.
  9. 9. Système (10) selon la revendication 8, dans lequel on utilise plusieurs bobines de fibres de carbones et le système (10) comporte en amont du moyen d’étalement (60) des fils un dispositif de guidage (65) des fils, adapté à guider chaque fil déroulé d’une bobine de façon à ce qu’à l’entrée du moyen d’étalement (60), les fils soient parallèles entre eux, et régulièrement espacés.
  10. 10 Système (10) selon la revendication 9, dans lequel un peigne est dimensionné de façon à calibrer cette distance afin qu’en sortie du moyen d’étalement (60), les fils (20) étalés forment une unique nappe homogène et de masse surfacique donnée.
  11. 11. Système (90) pour fabriquer une feuille en matière plastique renforcée pour le moulage, comportant au moins un convoyeur (91) mobile selon une direction, un premier système d’apport (92) de matière plastique sur le convoyeur (91) positionné â l’extrémité amont du convoyeur (91), au moins un moyen d’apport de fibre (93) permettant de déposer des fibres de renfort sur la matière plastique déposée sur le convoyeur (91) par le premier système d’apport (92) de matière plastique, caractérisé en ce que le moyen d’apport de fibre comporte un système (10) de découpe de fils de carbone (20) selon l’une des revendications 1 à 10.
  12. 12. Procédé pour découper en bâtonnets des fibres de carbone enroulées sous forme de fils autours d’au moins une bobine, les bâtonnets étant utilisables dans un procédé de type SMC, dans lequel on réalise les étapes suivantes :
    on déroule au moins un fil de fibres de carbone de la bobine ; on étale le fil de fibres de carbone ;
    on ouvre le fil de fibres de carbone ainsi étalé en plusieurs fils de carbone ayant une largeur inférieure au fil à découper;
    on coupe transversalement chaque fil de fibres de carbone ainsi obtenus.
  13. 13. Procédé selon la revendication 12, dans lequel on coupe le fil longitudinalement de façon à obtenir des fils ayant une largeur n’excédant pas 2mm, et de préférence sensiblement égale à 0,5mm.
  14. 14. Procédé de fabrication d’une feuille en matière plastique renforcée pour le moulage, dans lequel la matière plastique est mise en mouvement par un convoyeur tout en réalisant les étapes suivantes :
    a) on dépose une première couche de matière plastique sur le convoyeur ; puis
    b) on découpe en bâtonnets des fils de carbone enroulés autours d’une bobine, en mettant en œuvre le procédé selon l’une des revendications 12 et 13 pour découper en bâtonnets des fibres de carbone ;
    c) on dépose une couche de bâtonnet de fibres de carbone sur ladite première couche de matière plastique ; puis
    d) on dépose une seconde couche de matière plastique sur la couche de bâtonnets ;
    e) on imprègne des bâtonnets par les deux couches de matière plastique afin d’obtenir une répartition homogène des bâtonnets dans l’épaisseur de la feuille.
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