FR3068286A1 - Installation et procede de pultrusion de materiau composite en bande - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne une installation et un procédé de pultrusion, du type comprenant les étapes suivantes : a) on fournit une pluralité de mèches de fibres (14) et un polymère thermoplastique en fusion ; b) on met en contact les mèches de fibres et ledit polymère thermoplastique en fusion et on forme une nappe de mèches de fibres (92) imprégnée dudit polymère thermoplastique en fusion ; c) on solidifie ledit polymère de ladite nappe de mèches de fibres (92) imprégnée pour obtenir une bande de matériau composite (110). Le procédé comprend une étape intermédiaire b') avant l'étape b), selon laquelle on étend lesdites mèches de fibres (14) en formant deux plis (88, 90) écartés l'un de l'autre ; et à l'étape b) on guide lesdits deux plis (88, 90) l'un vers l'autre, tandis qu'on injecte ledit polymère thermoplastique en fusion entre lesdits deux plis.
Description
Installation et procédé de pultrusion de matériau composite en bande
La présente invention se rapporte à une installation et à un procédé de pultrusion de matériau composite en bande qu'elle permet de mettre en œuvre.
Un domaine d'application envisagé est notamment, mais non exclusivement, celui des bandes composites thermoplastiques destinées au thermoformage ou thermo-estampage.
La pultrusion est un procédé bien connu permettant de réaliser en continu des profilés, des tubes, des lamellés plats, ou encore des joncs. Ce procédé se caractérise en ce que, on fournit d'un côté une pluralité de mèches de fibres, ou bien des fils, et d’un autre côté un polymère thermoplastique en fusion. Les mèches de fibres sont alors entraînées en translation parallèlement entre elles à travers une chambre d'imprégnation renfermant un polymère thermoplastique en fusion. À l'intérieur de la chambre d'imprégnation elles s'imprégnent ainsi du polymère thermoplastique. Les mèches de fibres imprégnées sont alors entraînées à travers une filière, soit une ouverture préfigurant de la section droite du profilé souhaité, et on poursuit leur entraînement à travers un dispositif réfrigérant permettant de solidifier le polymère thermoplastique.
La chambre d'imprégnation présente une ouverture d'entrée à travers laquelle les mèches de fibres sont entraînées. Le polymère thermoplastique en fusion est injecté sous pression à l'intérieur de la chambre d'imprégnation et il doit venir « mouiller >> les fibres pour pouvoir les imprégner. Aussi, il convient de choisir des polymères thermoplastiques dont la viscosité est relativement faible à la température de fusion. Cependant, plus la viscosité du polymère est faible, et plus le risque de fuite du polymère au niveau des ouvertures d'entrée et de sortie, est grand.
Afin d'y pallier, la section droite des ouvertures d'entrée et de sortie est réduite à une surface minimale. Toutefois, au niveau des ouvertures, les forces de frottement qui s'exercent alors sur les mèches de fibres font peser un risque de rupture. Aussi, il convient de trouver un compromis entre le serrage des mèches de fibres au niveau des ouvertures, afin d’éviter les risques de fuite, et les forces de frottement qui viennent s’appliquer sur ces mèches de fibres.
On observera que ce compromis pèse notamment sur les vitesses de déplacement des mèches de fibres, et partant, sur la productivité du procédé.
Aussi, un problème qui se pose et que vise à résoudre la présente invention est de fournir une installation de pultrusion et un procédé qu'elle permet de mettre en œuvre sans difficulté, permettant de réaliser des bandes en matériau composite à un coût avantageux.
Dans le but de résoudre ce problème, et selon un premier objet, il est proposé une installation de pultrusion de matériau composite en bande comprenant : une pluralité de support de mèches de fibres pour pouvoir fournir une pluralité de mèches de fibres, et une alimentation en polymère thermoplastique en fusion pour pouvoir fournir ledit polymère thermoplastique en fusion ; une chambre d’imprégnation située en aval de ladite pluralité de support de mèches de fibres et raccordée à ladite alimentation pour pouvoir mettre en contact les mèches de fibres de ladite pluralité de mèches de fibres et ledit polymère thermoplastique en fusion et pour former une nappe de mèches de fibres imprégnée dudit polymère thermoplastique en fusion ; et, une zone de solidification située en aval de ladite chambre d’imprégnation pour solidifier ledit polymère de ladite nappe de mèches de fibres imprégnée et pour obtenir une bande de matériau composite. Ladite chambre d’imprégnation comprend : des organes de guidage pour étendre lesdites mèches de fibres en deux plis écartés l’un de l’autre et pour guider lesdits deux plis l’un vers l’autre ; et, une rampe d’injection prolongeant ladite alimentation entre lesdits deux plis pour injecter ledit polymère thermoplastique en fusion entre lesdits deux plis et pour pouvoir former ladite une nappe de mèches de fibres imprégnée dudit polymère thermoplastique en fusion.
Ainsi, une caractéristique de l'invention réside dans la mise en œuvre d'organes de guidage des mèches de fibres de manière à pouvoir diviser la pluralité de mèches de fibres en deux plis écartés l'un de l'autre, puis pour pouvoir ensuite les faire converger l'un vers l'autre, tandis qu'une rampe d'injection prolongeant l'alimentation en polymère thermoplastique en fusion, permet de l'injecter entre les deux plis, avant qu'ils ne se rejoignent. De la sorte, lorsque précisément, les deux plis se rejoignent le polymère thermoplastique en fusion est alors pris en sandwich et il vient s'exprimer à travers chacun des plis. Ainsi, on pallie là, une moindre « mouillabilité >> des mèches de fibres pour un polymère thermoplastique visqueux en obtenant une bonne imprégnation. Partant, les risques de fuite au niveau des ouvertures sont atténués comme on l'expliquera plus en détail ci-après, et on obtient une bonne imprégnation des mèches de fibres malgré une vitesse élevée de mouvement des mèches de fibres à l'intérieur de la chambre d'imprégnation. Une bonne imprégnation des fibres signifie que le polymère est uniformément réparti autour de celles-ci.
Aussi, les mèches de fibres, désignent ici tout autant les fils, lesquels sont généralement réalisés avec des mèches de fibres plus ou moins retordues ou torsadées, que les rubans tissés obtenus également au moyen de mèches de fibres.
Selon un mode de mise en oeuvre de l'invention particulièrement avantageux, lesdits organes de guidage comprennent un corps cylindrique étendu transversalement à l’intérieur de ladite chambre d’imprégnation. Le corps cylindrique est étendu transversalement à l'intérieur de la chambre d'imprégnation par rapport à la direction des mèches de fibres et à leur mouvement. Ainsi, un des plis de mèches de fibres vient s'appliquer tangentiellement sur l'une des zones du corps cylindrique, tandis que l'autre pli de mèches de fibres vient lui, s'appliquer dans une zone opposée du corps cylindrique par rapport au plan médian défini par le corps cylindrique. De la sorte, les deux plis de mèches de fibres sont entraînés en frottement respectivement contre les deux zones opposées du corps cylindrique et partant, les deux plis sont maintenus écartés l'un de l'autre au voisinage du corps cylindrique. Préférentiellement, ledit corps cylindrique est de forme elliptique. De la sorte, et comme on l'expliquera plus en détail dans la suite de la description, l'angle des plis de mèches de fibres avec la surface du corps cylindrique est faible et limite ainsi les efforts de frottement. Le plan médian définit ci-dessus, s’étend alors selon le grand axe de la section droite dudit corps cylindrique.
Selon une autre variante de réalisation, le corps cylindrique est prismatique triangulaire droit. On expliquera dans la suite de la description les avantages d’une telle forme.
En outre, et selon un mode de réalisation de l'invention particulièrement avantageux, ladite rampe d’injection s’étend à l’intérieur dudit corps cylindrique. Aussi, le corps cylindrique présente en aval, une fente axiale permettant de délivrer le polymère thermoplastique en fusion vers l'aval entre les deux plis de mèches de fibres.
Aussi, selon une caractéristique de l'invention particulièrement avantageuse, ladite chambre d’imprégnation présente deux parois cylindriques en regard dont les génératrices sont respectivement parallèles. Et préférentiellement, les génératrices des deux parois cylindriques en regard sont sensiblement parallèles aux génératrices du corps cylindrique. De plus, les deux zones opposées du corps cylindrique viennent s'étendre respectivement à la même distance des parois cylindriques en regard. De la sorte, on forme deux chemins de passage opposés de même section pour les deux plis de mèches de fibres. Les chemins de passage sont ainsi plats, en ce que leur hauteur est faible au regard de leur largeur.
Selon une autre caractéristique de l'invention particulièrement avantageuse, lesdites parois cylindriques en regard convergent l’une vers l’autre en aval pour former une ouverture oblongue transversale de sortie. Leur convergence est sensiblement asymptotique. De la sorte, les deux plis de mèches de fibres convergents à partir des deux zones opposées du corps cylindrique vers l'ouverture oblongue transversale de sortie ou elles se rejoignent en comprimant le polymère thermoplastique en fusion à mesure de l'avancement conjoint des deux plis de mèches de fibres.
Aussi, à l’opposé par rapport au corps cylindrique, lesdites parois cylindriques en regard convergent l’une vers l’autre en amont pour former une ouverture oblongue transversale d’entrée. À l'opposé de l'ouverture oblongue transversale de sortie, par rapport au corps cylindrique, les parois cylindriques en regard convergent ainsi l'une vers l'autre pour former l'ouverture oblongue transversale d'entrée, de laquelle rentre les mèches de fibres à l’intérieur de la chambre d’imprégnation, suivant une seule couche. C'est à partir de cette ouverture oblongue transversale d'entrée que les mèches de fibres se divisent en deux plis, venant rejoindre respectivement les deux chemins de passage opposés précités.
Avantageusement, l'installation conforme à l'invention comprend des organes de traction installés en aval de ladite chambre d’imprégnation pour exercer une traction sur ladite bande de matériau composite. La traction exercée sur la bande de matériau composite, permet d'entraîner les mèches de fibres en translation depuis les supports de mèches de fibres, jusqu'au matériau composite en traversant la chambre d'imprégnation.
De plus, l'installation comprend un dispositif de réfrigération dans ladite zone de solidification. Ainsi, on abaisse la température du polymère thermoplastique en fusion qui alors se solidifie.
Conformément à un autre mode de mise en œuvre, les organes de guidage comprennent un élément prismatique triangulaire droit présentant, deux faces convergeant l’un vers l’autre vers une arête d’injection. La rampe d’injection s’étend à l’intérieur de l’élément prismatique le long de l’arrête d’injection. Aussi, la chambre d’imprégnation présente deux parois planes convergeant l’une vers l’autre et définissant un espace prismatique triangulaire droit que vient refermer partiellement l’élément prismatique triangulaire droit. Les deux faces convergentes de l’élément prismatique triangulaire droit viennent alors s’étendre respectivement à distance des deux parois planes pour autoriser le passage des deux plis. Les deux plis convergent alors euxmêmes l’un vers l’autre en aval de l’arête d’injection afin de recevoir le polymère thermoplastique en fusion.
Selon un autre objet, il est proposé un procédé de pultrusion de matériau composite en bande, du type comprenant les étapes suivantes : a) on fournit une pluralité de mèches de fibres et un polymère thermoplastique en fusion ; b) on met en contact les mèches de fibres de ladite pluralité de mèches de fibres et ledit polymère thermoplastique en fusion et on forme une nappe de mèches de fibres imprégnée dudit polymère thermoplastique en fusion ; et, c) on solidifie ledit polymère de ladite nappe de mèches de fibres imprégnée pour obtenir une bande de matériau composite. Le procédé comprend une étape intermédiaire b’) avant l’étape b), selon ladite étape intermédiaire b’) on étend lesdites mèches de fibres en formant deux plis écartés l’un de l’autre ; et à l’étape b) on guide lesdits deux plis l’un vers l’autre, tandis qu’on injecte ledit polymère thermoplastique en fusion entre lesdits deux plis, pour pouvoir former ladite une nappe de mèches de fibres imprégnée dudit polymère thermoplastique en fusion.
Ainsi, une caractéristique du procédé selon invention réside dans le guidage des mèches de fibres en deux plis écartés l'un de l'autre pour pouvoir injecter le polymère thermoplastique en fusion entre ces deux plis. Les avantages y relatifs sont ceux énoncés plus haut.
De plus, on exerce, avantageusement, une traction sur ladite bande de matériau composite. De la sorte, le matériau composite en bande est réalisé de manière continue. Aussi, avant l’étape intermédiaire b’), on conforme avantageusement ladite pluralité de mèches de fibres en une seule couche.
Au surplus, à l’étape c) on abaisse la température de ladite nappe de mèches de fibres imprégnée, de manière à solidifier le polymère thermoplastique en fusion.
D’autres particularités et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après de modes de réalisation particuliers de l’invention, donnés à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
- la Figure 1 est une vue schématique de côté d’une installation de pultrusion conforme à l’invention ;
- la Figure 2 est une vue schématique partielle en perspective de dessus d’un élément de l’invention représenté sur la Figure 1 ;
- la Figure 3 est une vue schématique de face selon la flèche III de l’élément représenté sur la Figure 2 ;
- la Figure 4 est une vue schématique partielle en coupe longitudinale verticale de l’élément représenté sur la Figure 2 ;
- la Figure 5 est une vue schématique partielle en perspective d’un élément représenté sur la Figure 4 ;
- la Figure 6 est une vue schématique en coupe axiale droite d’éléments représentés sur la Figure 5 ;
- la Figure 7 est un organigramme du procédé conforme à l’invention ; et,
- la Figure 8 est une vue schématique partielle en coupe longitudinale verticale d’une installation de pultrusion conforme à l’invention selon une autre variante d’exécution.
La Figure 1 montre schématiquement une installation de pultrusion 10 conforme à l'invention. De l'amont vers l'aval, l'installation de pultrusion 10 comprend, une pluralité de supports 12 de mèches de fibres 14, un dispositif d'imprégnation 16, un dispositif de réfrigération 18 définissant une zone de solidification 19, et des organes de traction 20.
Sur la Figure 1, la pluralité de support 12 comporte à titre illustratif, cinq supports ; il est observé que l'installation en comporte bien plus. Par exemple, l'installation peut comprendre quatre-vingt seize supports permettant de recevoir quatre-vingt seize bobines de mèche de fibre 14. Les supports de la pluralité de supports 12 sont alors agencés de manière à ce que les mèches puissent être guidées jusqu'à une extrémité amont 22 du dispositif d'imprégnation 16 et que l'on décrira dans la suite de la description.
On entend ici par mèches de fibres, aussi bien les rubans condensés préalables à la réalisation des fils, que les fils eux-mêmes, et tous les produits intermédiaires plus ou moins façonnés entre les mèches et les fils. Ainsi, on inclut également les rubans tissés.
La nature des fibres peut être diverse en fonction des applications recherchées. Les fibres de verre, de carbone ou de toute autre fibre peuvent être mises en œuvre.
On décrira tout d'abord en détail en référence aux Figures 2 à 5, le dispositif d'imprégnation 16. Sur la Figure 2 ce dernier est représenté en perspective et on retrouve son extrémité amont 22. Le dispositif d'imprégnation 16 présente une forme générale parallélépipédique rectangle s'étendant longitudinalement depuis son extrémité amont 22 jusqu'à son extrémité aval 24. II comprend deux parties démontables, une partie inférieure 26 et une partie supérieure 28. La partie supérieure 28 est mobile en rotation par rapport à la partie inférieure 26.
En outre, le dispositif d'imprégnation 16 comporte un raccord d'alimentation en polymère 30 débouchant latéralement à la jointure entre les parties inférieure 26 et supérieure 28. Comme on l'expliquera plus en détail dans la suite de la description, le raccord d'alimentation en polymère 30 permet d'injecter un polymère thermoplastique en fusion à une température voisine de 320 °C par exemple. Le polymère thermoplastique est par exemple un polyamide 6 ou bien 6-6 à basse viscosité à la température de fusion. Cette viscosité est par exemple inférieure à 50 Pa.s, préférentiellement, inférieure à 20 Pa.s.
Aussi, les parties inférieure 26 et supérieure 28 comportent respectivement des résistances chauffantes non représentées et dont on expliquera la fonction ci-après.
En outre, le dispositif d'imprégnation 16 comprend un contrepoids latéral 32 monté en déporté sur la partie supérieure 28 du dispositif d'imprégnation 16 au moyen de deux tiges méplates 34, 36.
On retrouve sur la Figure 3, représenté de face, le dispositif d'imprégnation 16 comportant sa partie inférieure 26 et sa partie supérieure 28. On retrouve également le contrepoids latéral 32 solidaire de l'une des tiges méplates 36, laquelle est elle-même solidaire de la partie supérieure 28. La partie inférieure 26 comporte, latéralement, une chape 40 dans laquelle vient s'engager une contre-chape 38, laquelle est solidaire, sensiblement perpendiculairement, de la tige méplate 36. La chape 40, et la contre-chape 38 sont reliées ensemble par un axe d'articulation 42.
Bien évidemment, l'autre tige méplate 34 est reliée à la partie inférieure 26, de la même façon et parallèlement avec une chape, une contre-chape, et un axe d'articulation. Ainsi, on comprend que la partie supérieure 28 du dispositif d'imprégnation 16 va pouvoir être entraînée en rotation autour d'un axe latéral passant par l'axe d'articulation 42 de manière à pouvoir écarter cette partie supérieure 28 de la partie inférieure correspondante 26. On comprend également que l’entraînement de la partie supérieure 28 est rendue plus aisée, et requiert moins d’efforts, grâce au contrepoids latéral 32. Comme on l'expliquera dans la suite de la description cette configuration permet un démontage rapide du dispositif d'imprégnation 16.
On retrouve également sur cette Figure 3, l'extrémité amont 22, et à la jointure entre la partie supérieure 28 et la partie inférieure 26, une fente d'entrée 44. Les mèches de fibres 14 illustrée sur la Figure 1 vont alors pouvoir être guidées et réparties de manière à former une couche sensiblement homogène de mèches de fibres.
On se reportera à présent sur la Figure 4 illustrant en coupe axiale verticale, et partiellement, le dispositif d'imprégnation 16. On y retrouve la partie inférieure 26 et la partie supérieure 28 et plus précisément l'extrémité amont 22 présentant la fente d'entrée 44.
En outre, au droit du raccord d'alimentation 30 représenté sur la Figure 2, le dispositif d'imprégnation 16 comporte une chambre d'imprégnation 46 calibrée et à l'intérieur, un corps cylindrique elliptique 48 précisément ajusté au centre de la chambre d’imprégnation 46. Le corps cylindrique elliptique 48 définit un plan médian Pm coupant celui-ci selon le grand axe de l’ellipse correspondant à sa section droite. Aussi, il présente un bord amont 47 opposé à un bord aval 49. À l'intérieur du corps cylindrique elliptique 48 vient s'étendre, une rampe d'injection 50, dans le prolongement du raccord d'alimentation 30.
En outre, la chambre d'imprégnation 46 présente une paroi cylindrique supérieure 52 ménagée dans la partie supérieure 28, et à l'opposé en regard, une paroi cylindrique inférieure 54, dans la partie inférieure 26. Les deux parois cylindriques 52, 54 s'étendent transversalement selon des génératrices parallèles entre elles. Elles convergent l'une vers l'autre, selon une composante axiale, de manière asymptotique, vers l'amont en formant une ouverture oblongue transversale d'entrée 56, tandis qu'elles convergent l'une vers l'autre en aval en formant une ouverture oblongue transversale de sortie 58.
Aussi, au-delà de l’ouverture oblongue transversale d’entrée 56, les deux parois cylindriques 52, 54 se prolongent respectivement suivant deux premières parois planes parallèles en regard, une paroi plane supérieure d’entrée 55 et une paroi plane inférieure d’entrée 57 pour définir un chemin de passage d’entré plan 59 s’étendant de la fente d’entrée 44, laquelle débouche dans l’extrémité amont 22, jusqu’à l’ouverture oblongue transversale d’entrée 56.
A l’opposé, par rapport à la chambre d’imprégnation 46, à partir de l’ouverture oblongue transversale de sortie 58, les deux parois cylindriques 52, 54 se prolongent respectivement suivant deux secondes parois planes parallèles en regard, une paroi plane supérieure de sortie 61 et une paroi plane inférieure de sortie 63 de manière à définir un chemin de passage de sortie plan 65.
Le corps cylindrique elliptique 48 présente une portion de surface supérieure 60, qui vient s’étendre sensiblement parallèlement à la paroi cylindrique supérieure 52 de la chambre d’imprégnation 46 en définissant un chemin de passage supérieur 62.
La paroi cylindrique supérieure 52 située au droit et en regard de la portion de surface supérieure 60 présente une géométrie identique de sorte que le chemin de passage supérieur 62 présente une hauteur constante.
De la même façon, et à l’opposé, le corps cylindrique elliptique 48 présente une portion de surface inférieure 64, qui vient s’étendre parallèlement à la paroi cylindrique inférieure 54 en définissant un chemin de passage inférieur 66. Aussi, et symétriquement, la paroi cylindrique inférieure 54 située au droit et en regard de la portion de surface inférieure 64 présente une même hauteur que celle précitée et, constante.
On se reportera sur la Figure 5 pour parfaire la description du corps cylindrique elliptique 48. Il apparaît en effet sur cette Figure 5, découvert de la partie supérieure 28 du dispositif d’imprégnation 16 représenté sur la Figure 4 par exemple.
On le retrouve ainsi étendu transversalement sur la partie inférieure 26 du dispositif d’imprégnation 16 au droit de la paroi cylindrique inférieure 54.
La partie inférieure 26 comporte deux bordures parallèles opposées 67, 68 définissant deux logements elliptiques 70, 72 opposés, dans lesquels viennent s’encastrer respectivement deux extrémités opposées 74, 76 du corps cylindrique elliptique 48. L’une 76, des deux extrémités opposées 74, 76, se prolonge à l’extérieur de la partie inférieure 26 par le raccord d’alimentation 30.
Les deux logements elliptiques 70, 72 sont usinés précisément pour recevoir les deux extrémités opposées 74, 76 de manière à maintenir la portion de surface inférieure 64 à distance de la paroi cylindrique inférieure 54 pour ménager le chemin de passage inférieur 66.
À l’opposé, la partie supérieure 28 du dispositif d’imprégnation 16 présente de la même façon, deux bordures opposées dans lesquelles sont pratiqués deux logements elliptiques pour recevoir les deux extrémités opposées 74, 76 du corps cylindrique elliptique 48. De la sorte, lorsque la partie supérieure 28 vient s’appliquer sur la partie inférieure 26, la paroi cylindrique supérieure 52 vient s’appliquer en regard et à distance de la portion de surface supérieure 60 pour former le chemin de passage supérieur 62.
Aussi, sur la Figure 5, on observera que le corps cylindrique elliptique 48 présente dans son bord aval 49, une fente d’injection 78, qui s’étend d’une extrémité 74 à l’autre 76 entre les deux bordures opposées 67, 68. On observera que la fente d’injection 58 est ménagée au niveau de l’intersection du bord aval 49 et du plan médian Pm du corps cylindrique elliptique 48.
On décrira à présent le procédé de mise en œuvre de l’invention au moyen des éléments de l’installation décrit à travers les Figures 1 à 5, et en suivant l’organigramme représenté sur la Figure 7. Au surplus, dans la phase stationnaire de production, on s’appuiera également sur la Figure 6.
Ainsi, selon une première étape 80, telle que repérée sur la Figure 7, on fournit la pluralité de mèches de fibres 14 que l’on installe sur les supports 12.
Cette première étape 80 comporte des sous-étapes. Après avoir relevé aisément, grâce au contrepoids 32, la partie supérieure 28 du dispositif d’imprégnation 16 pour pouvoir libérer la paroi plane inférieure d’entrée 57 et la paroi plane inférieure d’entrée 63, on vient étendre une moitié quarante-huit, des quatre-vingt-seize mèches de fibres selon l’exemple présenté ici, depuis les supports 12 en formant un tapis sensiblement homogène selon une composante transversale, en applique sur les deux parois planes inférieures, en passant sous le corps cylindrique elliptique 48.
Puis, on vient étendre l’autre moitié des quatre-vingt-seize mèches de fibres, soit quarante-huit mèches de fibres, excepté au niveau de la paroi cylindrique inférieure 54 où l’on vient étendre cette autre moitié au-dessus du corps cylindrique elliptique 48 en appui contre la portion de surface supérieure 60.
De la sorte, on obtient un double tapis de mèches de fibres sensiblement homogène au niveau de la paroi plane inférieure d’entrée 57 et de la paroi plane inférieure de sortie 63. Au-delà de la paroi plane inférieure de sortie 63, à l’opposé du corps cylindrique elliptique 48, le double tapis de mèches de fibres est étendu à travers le dispositif de réfrigération 18, puis est porté en prise dans les organes de traction 20 illustrés sur la Figure 1.
Ces derniers comportent deux trains de chenilles 82, 84 venant s’appliquer respectivement sur les deux faces opposées du double tapis pour pouvoir l’entraîner en translation à force.
Après que les mèches de fibres ont été mises en tension, des supports 12 jusqu’aux organes de traction 20, on vient refermer le dispositif d’imprégnation 16 en rabattant la partie supérieure 28 sur la partie inférieure 26 et en la verrouillant, comme illustré sur la Figure 5.
Ainsi, comme l’illustre en détail la Figure 6, au niveau de la chambre d’imprégnation 46, en amont, le double tapis de mèches de fibres forme une couche de mèches de fibres 86 entre les parois planes, inférieure d’entrée 57 et supérieure d’entrée 55.
A l’ouverture oblongue transversale d’entrée 56, la couche de mèches de fibres 86 se divise alors en deux plis, l’un supérieur 88, l’autre inférieur 90, lesquels viennent respectivement s’étendre dans les chemins de passage supérieur 62 et inférieur 66. On observera que les parois cylindriques 52, 54 impriment aux deux plis, en amont du corps cylindrique 48, une première courbure, tandis qu’entre le corps cylindrique 48 et les parois cylindriques 52, 54, les deux plis présentent des courbures respectivement inverses. Les deux plis viennent alors en contact avec le corps cylindrique 48 sensiblement au niveau de points d’inflexion des deux courbures précitées, près du bord amont 47. Aussi, les deux plis 88, 90, au niveau de ce point de contact forment un angle très faible par rapport à la tangente en ce point du corps cylindrique 48. Partant, les forces de frottement sont faibles et les risques d’endommagement des mèches de fibres ténus.
Les deux plis 88, 90 se rejoignent ensuite au niveau de l’ouverture oblongue transversale de sortie 58 pour reformer une seule couche avale 92 ou nappe de mèches fibres. Le corps cylindrique 48 forme ainsi un organe de guidage, permettant d’étendre les mèches de fibres en deux plis écartés l’un de l’autre puis pour les guider l’un vers l’autre.
Aussi, on observera que les deux plis 88, 90, au niveau du bord aval 49 du corps cylindrique 48, sont écartés l’un de l’autre, et c’est précisément à ce niveau que débouche la fente d’injection 78.
Après que le raccord d'alimentation 30 a été raccordé à une alimentation en polymère thermoplastique en fusion, par exemple du type vis d’extrusion, la rampe d'injection 50 est alors alimentée elle-même en polymère thermoplastique en fusion, lequel peut alors venir s’écouler de la fente d’injection 78. En outre, les résistances chauffantes précitées et installées dans les parties inférieure 26 et supérieure 28, permettent d’établir un équilibre thermique et de maintenir une température suffisante au niveau de la chambre d’imprégnation 46, afin que le polymère thermoplastique en fusion demeure à température constante, et ici à 320 °C.
De la sorte, en reprenant l’organigramme de la Figure 7, et en gardant en vue le Figure 6, après la première étape 80, où l’on fournit la pluralité de mèches de fibres et aussi le polymère thermoplastique en fusion ; on entraîne en translation la couche avale 92 selon une vitesse déterminée, pour pouvoir étendre selon une deuxième étape 94 les mèches de fibres en formant les deux plis 88, 90 écartés l’un de l’autre.
La vitesse déterminée est par exemple de 5 m.min'1 et par conséquent, la vitesse de translation des deux plis 88, 90 à l’intérieur de la chambre d’imprégnation 46, et à travers leurs chemins de passage supérieur 62 et inférieur 66 respectifs, est la même.
Ensuite, selon deux troisièmes étapes parallèles 96, 98, d’une part les deux plis sont guidés l’un vers l’autre en translation selon les deux flèches 100, 102, et vers l’ouverture oblongue transversale de sortie 58, et d’autre part, le polymère thermoplastique en fusion, d’une viscosité définie, s’écoule de la fente d’injection 78 selon la flèche d’écoulement 104, de sorte que du polymère fondu d’écoule entre les deux plis 88, 90 avec lesquels il vient en contact.
Le polymère thermoplastique en fusion est alors pris en sandwich entre les deux plis 88, 90 qui en se rapprochant l’un de l’autre, selon une quatrième étape 106, provoquent la diffusion du polymère à travers les deux plis 88, 90.
En régime stationnaire, on obtient alors une imprégnation homogène du polymère à travers la couche avale 92, quand bien-même celui-ci présenterait une viscosité relativement élevée.
Selon une cinquième étape 108, la couche avale 92 est entraînée en translation à travers le dispositif de réfrigération 18 pour pouvoir abaisser la température du polymère et le solidifier de manière à obtenir une bande de matériau composite 110, telle que représentée sur la Figure 1. Les mèches de fibres sont alors emprisonnées et maintenues en position fixe les unes par rapport aux autres au sein du matériau composite 110.
C’est donc la bande de matériau composite 110 qui vient alors en prise entre les deux trains de chenilles 82, 84, lorsque le procédé de mise en œuvre est en régime stationnaire. La bande est alors au-delà, débitée ou bien enroulée selon les utilisations ultérieures.
On observera que la chambre d’imprégnation 46 est relativement étanche, car, d’une part les ouvertures oblongues transversales d’entrée 56 et de sortie 58 présentent des sections adaptées aux sections de couches de mèches de fibres qui les traversent de manière à les obturer, d’autre part les chemins de passage d’entrée plan 59 et de sortie plan 65, sont relativement longs. De la sorte, il n’y a aucun risque de fuite de polymère thermoplastique en fusion en dehors du dispositif d’imprégnation 16, quand bien même le polymère serait de faible viscosité.
On se référera maintenant à la figure 8 sur laquelle est représenté partiellement, selon une autre variante d’exécution, un autre dispositif d’imprégnation 16’. Les éléments représentés sur la figure 8 et ayant la même fonction que ceux illustrés sur la figure 4, posséderont la même référence affectée d’un signe prime : «’>>. On y retrouve ainsi une autre partie inférieure 26’ et une autre partie supérieure 28’.
Le dispositif d'imprégnation 16’ comporte une autre chambre d'imprégnation 46’ présentant une paroi plane supérieure 52’ ménagée dans la partie supérieure 28’, et à l'opposé en regard, une paroi plane inférieure 54’, dans la partie inférieure 26’. Les deux parois planes 52’, 54’ s'étendent transversalement et elles convergent l'une vers l'autre en aval selon une composante axiale en formant une ouverture oblongue transversale de sortie 58’.
A l’opposé, les deux parois planes 52’, 54’ s'étendent vers l’extrémité amont 22’ en divergeant l’une de l’autre.
Le dispositif d'imprégnation 16’ comporte un corps prismatique triangulaire droit 48’ monté à l’intérieur de la chambre d’imprégnation 46’. Le corps prismatique triangulaire droit 48’ présente un bord aval 49’ délimitant une face supérieure 60’ et une face inférieure 64’.
La face supérieure 60’ vient s’étendre sensiblement parallèlement à la paroi plane supérieure 52’ de la chambre d’imprégnation 46’ en définissant un chemin de passage supérieur 62’, tandis que la face inférieure 64’ vient s’étendre parallèlement à la paroi cylindrique inférieure 54’ en définissant un chemin de passage inférieur 66’.
Ainsi, les chemins de passage supérieur 62’et inférieur 66’, sont relativement longs selon la composante axiale et ils débouchent directement dans l’extrémité amont 22’ en définissant deux fentes d’entrée indépendantes 44’, 44”.
À l'intérieur du corps prismatique triangulaire droit 48’, le long du bord aval 49’, vient s'étendre une rampe d'injection 50’, dans le prolongement d’un raccord d'alimentation non représenté. Une fente d’injection 78’ s’étend de la rampe d’injection de 50’ jusqu’au bord aval 49’ pour déboucher dans la chambre d’imprégnation 46’.
Ainsi, le pli supérieur 88’et le pli inférieur 90’ sont introduits séparément dans l’extrémité amont 22’, respectivement à l’intérieur des chemins de passage supérieur 62’et inférieur 66’. Les deux plis 88’, 90’ se rejoignent alors au niveau de l’ouverture oblongue transversale de sortie 58’ pour former une seule couche avale 92’ ou nappe de mèches fibres. Aussi, les deux plis 88’, 90’, au niveau du bord aval 49’, sont écartés l’un de l’autre, et c’est précisément à ce niveau que débouche la fente d’injection 78.
On observera que la hauteur des chemins de passage supérieur 62’ et inférieur 66’ peut être réglée aisément et simultanément en réglant axialement la position relative du corps prismatique 48’ et des parties supérieure 28’ et inférieure 26’.
Après que le raccord d'alimentation a été raccordé à une alimentation en polymère thermoplastique en fusion, la rampe d'injection 50’ est alors alimentée elle-même en polymère thermoplastique en fusion, lequel peut alors venir s’écouler de la fente d’injection 78’.
Claims (13)
1. Installation de pultrusion de matériau composite en bande comprenant :
- une pluralité de support (12) de mèches de fibres (14) pour pouvoir fournir une pluralité de mèches de fibres (14), et une alimentation en polymère thermoplastique en fusion pour pouvoir fournir ledit polymère thermoplastique en fusion ;
- une chambre d’imprégnation (46 ; 46’) située en aval de ladite pluralité de support (12) de mèches de fibres et raccordée à ladite alimentation pour pouvoir mettre en contact les mèches de fibres (14) de ladite pluralité de mèches de fibres et ledit polymère thermoplastique en fusion et pour former une nappe de mèches de fibres (92 ; 92’) imprégnée dudit polymère thermoplastique en fusion ;
- une zone de solidification (19) située en aval de ladite chambre d’imprégnation (46 ; 46’) pour solidifier ledit polymère de ladite nappe de mèches de fibres (92 ; 92’) imprégnée et pour obtenir une bande de matériau composite (110) ;
caractérisé en ce que ladite chambre d’imprégnation (46 ; 46’) comprend ;
- des organes de guidage (48 ; 48’) pour étendre lesdites mèches de fibres (14) en deux plis (88, 90 ; 88’, 90’) écartés l’un de l’autre et pour guider lesdits deux plis l’un vers l’autre ; et,
- une rampe d’injection (50 ; 50’) prolongeant ladite alimentation entre lesdits deux plis (88, 90 ; 88’, 90’) pour injecter ledit polymère thermoplastique en fusion entre lesdits deux plis et pour pouvoir former ladite nappe de mèches de fibres (92 ; 92’) imprégnée dudit polymère thermoplastique en fusion.
2. Installation de pultrusion selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits organes de guidage (48 ; 48’) comprennent un corps cylindrique étendu transversalement à l’intérieur de ladite chambre d’imprégnation (46 ; 46’).
3. Installation de pultrusion selon la revendication 2, caractérisée en ce que ledit corps cylindrique (48) est de forme elliptique.
4. Installation de pultrusion selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que ladite rampe d’injection (50 ; 50’) s’étend à l’intérieur dudit corps cylindrique (48 ; 48’).
5. Installation de pultrusion selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que ladite chambre d’imprégnation (46) présente deux parois cylindriques en regard (52, 54) dont les génératrices sont respectivement parallèles.
6. Installation de pultrusion selon la revendication 5, caractérisée en ce que lesdites parois cylindriques en regard (52, 54) convergent l’une vers l’autre en aval pour former une ouverture oblongue transversale de sortie (58).
7. Installation de pultrusion selon la revendication 5 ou 6, caractérisée en ce que lesdites parois cylindriques en regard (52, 54) convergent l’une vers l’autre en amont pour former une ouverture oblongue transversale d’entrée (56).
8. Installation de pultrusion selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu’elle comprend des organes de traction (20) installés en aval de ladite chambre d’imprégnation (46) pour exercer une traction sur ladite bande de matériau composite (110).
9. Installation de pultrusion selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu’elle comprend un dispositif de réfrigération (18) dans ladite zone de solidification (19).
10. Procédé de pultrusion de matériau composite en bande, du type comprenant les étapes suivantes :
- a) on fournit une pluralité de mèches de fibres (14) et un polymère thermoplastique en fusion ;
- b) on met en contact les mèches de fibres de ladite pluralité de mèches de fibres (14) et ledit polymère thermoplastique en fusion et on forme une nappe de mèches de fibres (92 ; 92’) imprégnée dudit polymère thermoplastique en fusion ;
- c) on solidifie ledit polymère de ladite nappe de mèches de fibres (92 ; 92’) imprégnée pour obtenir une bande de matériau composite (110) ;
caractérisé en ce qu’il comprend une étape intermédiaire b’) avant l’étape
b), selon ladite étape intermédiaire b’) on étend lesdites mèches de fibres (14) en formant deux plis (88, 90 ; 88’, 90’) écartés l’un de l’autre ;
et en ce qu’à l’étape b) on guide lesdits deux plis (88, 90 ; 88’, 90’) l’un ’ vers l’autre, tandis qu’on injecte ledit polymère thermoplastique en fusion entre lesdits deux plis, pour pouvoir former ladite une nappe de mèches de fibres (92 ; 92’) imprégnée dudit polymère thermoplastique en fusion.
11. Procédé de pultrusion selon la revendication 10, caractérisé en ce qu’on exerce une traction sur ladite bande de matériau composite (110).
12. Procédé de pultrusion selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce qu’avant l’étape intermédiaire b’) on conforme ladite pluralité de mèches de fibres (14) en une seule couche.
13. Procédé de pultrusion selon l’une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé en ce qu’à l’étape c) on abaisse la température de ladite nappe de mèches de fibres (92 ; 92’) imprégnée.
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