FR3095609A1 - Procédé et installation de renforcement d’élément en matériau polymère thermoplastique - Google Patents

Procédé et installation de renforcement d’élément en matériau polymère thermoplastique Download PDF

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Abstract

Procédé de renforcement d’élément en matériau polymère thermoplastique comprenant les étapes suivantes : on fournit d’une part un élément (16) à renforcer réalisé dans un premier matériau polymère thermoplastique et présentant une surface d’applique (18), et d’autre part une bande de renforcement (14) d’un second matériau polymère thermoplastique ; on fournit localement de l’énergie thermique à ladite surface d’applique (18) et à ladite bande de renforcement (14) de manière à porter les premier et second polymères thermoplastiques en fusion ; et, on applique ladite bande de renforcement (14) contre ladite surface d’applique (18) pour pouvoir souder ensemble ladite bande de renforcement (14) et ledit élément (16) à renforcer. On projette un plasma (34) contre ladite bande de renforcement (14) et contre ladite surface d’applique (18) pour fournir localement ladite énergie thermique à ladite bande de renforcement (14) et à ladite surface d’applique (18). Figure à publier avec l’abrégé : Fig. 1

Description

Procédé et installation de renforcement d’élément en matériau polymère thermoplastique
La présente invention se rapporte à un procédé et à une installation de renforcement d'élément en matériau polymère thermoplastique.
Des installations connues permettent d'appliquer et de solidariser des bandes de renforcement en matériau polymère thermoplastique, sur des éléments en matériau composite. Ces éléments sont réalisés dans des matériaux polymères thermoplastiques dans lesquelles sont noyées les fibres de renfort, par exemple des fibres de verre ou de carbone, et formant ainsi le matériau composite thermoplastique. Les bandes de renforcement sont usuellement renforcées également de fibres.
Aussi, l'élément en matériau polymère thermoplastique à renforcer est maintenu en position fixe sur un support, tandis qu'une tête d'application commandée par un robot, vient appliquer et souder simultanément des bandes de renforcement en matériau polymère thermoplastique à la surface de l'élément. Dans certaines applications, le support est mobile en rotation.
La tête d'application comporte, à l'une de ses extrémités, un ruban enroulé dans une bobine, et à l'autre extrémité, un galet d'appui. Ainsi, le ruban déroulé jusqu'au galet d'appui présente une première zone maintenue en appui contre la surface d'applique de l'élément et une seconde zone, vers la bobine, maintenue écartée de la surface d'applique. Au surplus, la tête d'application est munie d'un équipement laser permettant de projeter un faisceau laser dans la zone de convergence du ruban et de la surface d'applique. De la sorte, le faisceau laser d'une longueur d'onde prédéfinie interagit avec le ruban et avec la surface d'applique de manière à venir porter les matériaux polymères thermoplastiques en fusion. La tête d'application est alors entraînée en mouvement par rapport à l'élément en matériau composite thermoplastique, de manière à ce que le galet d'appui vienne presser l'un contre l'autre le ruban et la surface d'applique, dont les polymères sont en fusion. Ainsi, à mesure que la tête d'application est entraînée en translation, le galet d'appui vient presser le ruban dont le polymère est en fusion contre l'élément à renforcer dont le polymère est également en fusion, tandis que le ruban se déroule de sa bobine. Le faisceau laser interagit lui en continu avec le ruban qui se déroule et avec la surface d'applique, et le ruban est finalement soudé sur la surface d’applique.
La tête d’application est équipée d’un organe de coupe permettant de couper le ruban de manière à ce que le robot puisse commander la tête pour une nouvelle application du ruban, par exemple en bordure de la première portion de ruban appliquée.
Une telle installation est par exemple décrite dans le document DE 10 2012 108 487 A1.
Si la mise en œuvre d’un équipement laser permettant d’apporter l’énergie thermique nécessaire à la fusion des polymères est avantageuse en ce que la zone de chauffage peut être aisément circonscrite, en revanche le chauffage est hétérogène. En effet, l’apport d’énergie thermique par rayonnement est malaisé à homogénéiser et à contrôler car il dépend également des matériaux absorbant le rayonnement. En conséquence, la fusion des matériaux polymères peut être incomplète ou excessive localement, ce qui par conséquent, peut rendre la soudure hétérogène.
Aussi, un problème qui se pose et que vise à résoudre la présente invention est de fournir un procédé qui permet d’obtenir une soudure homogène de l’élément à renforcer et des bandes de renfort.
Dans le but de résoudre ce problème, et selon un premier objet, il est proposé un procédé de renforcement d’élément en matériau polymère thermoplastique comprenant les étapes suivantes : on fournit d’une part un élément à renforcer réalisé dans un premier matériau polymère thermoplastique et présentant une surface d’applique, et d’autre part une bande de renforcement d’un second matériau polymère thermoplastique ; on fournit localement de l’énergie thermique à ladite surface d’applique et à ladite bande de renforcement de manière à porter les premier et second polymères thermoplastiques en fusion ; et, on applique ladite bande de renforcement contre ladite surface d’applique pour pouvoir souder ensemble ladite bande de renforcement et ledit élément à renforcer. Aussi, on projette un plasma contre ladite bande de renforcement et contre ladite surface d’applique pour fournir localement ladite énergie thermique à ladite bande de renforcement et à ladite surface d’applique.
Ainsi, une caractéristique de l’invention réside dans la mise en œuvre d’un plasma pour pouvoir apporter de l’énergie thermique à la bande de renforcement et à la surface d’applique. Autrement dit, on crée une décharge entre deux électrodes et on transfert le gaz alors ionisé entre ces deux électrodes en dehors vers la bande de renforcement et la surface d’applique. On apporte ainsi de l’énergie thermique non plus par rayonnement mais essentiellement par convection, ce qui permet de porter les polymères en fusion de manière homogène, contrairement à un laser qui interagit différemment selon les matériaux polymères. Préférentiellement, l’élément en matériau polymère thermoplastique est renforcé de fibres. Autrement dit, l’élément est réalisé dans un matériau composite. De surcroît, il est aisé d’installer un plasma de puissance élevée à un coût avantageux et en toute sécurité comparativement au laser, ce qui permet d’augmenter la vitesse d’application de la bande de renforcement. En outre, l’énergie thermique est produite à un coût plus avantageux que celui d’une source laser. De plus, et comme on l’expliquera ci-après, les moyens mis en œuvre pour générer un plasma sont compacts et peuvent être aisément installés sur des dispositifs existants en substitution d’un équipement laser.
Selon un mode de mise en œuvre de l’invention particulièrement avantageux, on étend ladite bande de renforcement entre une première zone en appui sur ladite surface d’applique et une seconde zone écartée de ladite surface d’applique, et on applique progressivement ladite bande de renforcement contre ladite surface d’applique, de ladite première zone vers ladite seconde zone. De la sorte, après qu’une quantité suffisante d’énergie thermique a été délivrée à la bande de renforcement et à la surface d’applique et que leur polymère est en fusion, on applique progressivement la bande de renforcement contre la surface d’applique. La bande de renforcement est avantageusement pressée contre la surface d’applique de manière à améliorer la soudure entre les deux. Le soudage consiste dans l’interdiffusion des polymères lorsqu’ils sont à l’état de fusion puis à leur refroidissement pour assurer la solidarisation de la bande de renforcement et de l’élément.
Préférentiellement, on projette ledit plasma entre ladite bande et ladite surface d’applique. De la sorte, on apporte simultanément de l’énergie thermique, essentiellement par convection, à la bande et la surface d’applique que l’on presse ensuite l’un contre l’autre.
Aussi, et selon un mode particulier de mise en œuvre de l’invention, on projette ledit plasma selon une direction sensiblement parallèle à ladite bande. De la sorte, comme on l’expliquera plus en détail ci-après, le plasma, soit un gaz ionisé et chaud, vient s’étendre le long de la bande de renforcement laquelle est alors chauffée progressivement de manière à pouvoir atteindre la fusion de son polymère thermoplastique lorsqu’elle vient en contact avec la surface d’applique de l’élément à renforcer.
En outre, on focalise avantageusement ledit plasma dans une zone de convergence de ladite bande et de ladite surface d’applique. Ainsi, une grande quantité d’énergie thermique est délivrée et concentrée dans cette zone de convergence, laquelle comprend également la zone de jonction entre ladite bande et de ladite surface d’applique, préalablement à l’application de la bande de renforcement sur la surface d’applique.
Selon un mode de réalisation de l’invention particulièrement avantageux, on fournit ladite bande de renforcement pré-enroulée, et on déroule ladite bande de renforcement de manière continue, tandis qu’on applique progressivement ladite bande de renforcement contre ladite surface d’applique. De la sorte, on solidarise la bande de renforcement et l’élément en polymère thermoplastique de manière continue sur des distances variables.
Aussi, on prévoit la mise en œuvre du procédé selon l’invention pour former par exemple des réservoirs aptes à être soumis à de fortes pressions internes. Pour ce faire, on met en œuvre un support cylindrique de révolution monté sur un dispositif d’entraînement en rotation selon son axe de symétrie. Et on applique sur ce support cylindrique, une seule bande de renforcement, en formant, grâce à la rotation du support cylindrique, une pluralité de couches de spires jointives. Ainsi, la bande de renforcement est soudée sur elle-même dès la deuxième couche.
Avantageusement, ladite bande de renforcement pré-enroulée est maintenue en tension lors de la dépose sur le support cylindrique de révolution de manière à pouvoir assurer la soudure de la bande. Un tel mode de mise en œuvre est également adapté lorsque, plus généralement, l’élément en matériau polymère thermoplastique est de forme convexe.
Selon un autre mode de mise en œuvre de l’invention particulièrement avantageux, on produit ledit plasma avec un gaz noble. Autrement dit, le gaz plasmagène est un gaz noble, par exemple de l’argon. Le gaz noble est ainsi le gaz vecteur qui permet d’allumer et de stabiliser le plasma. De la sorte, on réduit l’oxydation et la dégradation des polymères thermoplastiques lors de leur fusion en évitant la projection d’oxygène.
Préférentiellement, on fournit une bande de renforcement comprenant des fibres de renfort noyées dans ledit second matériau polymère thermoplastique. On met en œuvre par exemple des fibres de verre ou bien de carbone dans la bande de renforcement. De la sorte, la bande ne se déforme pas longitudinalement lorsqu’on la soumet à une traction longitudinale pour l’appliquer sur la surface d’applique alors que son polymère est en fusion.
De surcroît, lesdits premier et second matériaux polymères thermoplastiques sont de même nature chimique. Par exemple, les premier et second matériaux polymères sont identiques, et de la sorte, ils atteignent leur température de fusion au même moment lorsqu’ils sont exposés au plasma. Ainsi, on obtient non seulement un meilleur renforcement de l’élément, mais aussi avec une plus grande productivité. Aussi, il est dans certaines circonstances avantageux de mettre en œuvre des polymères thermoplastiques différents mais compatibles à la soudure. On veillera à ce que leurs températures de fusion soit proches l’une de l’autre.
Selon un autre aspect de l’invention, il est proposé une installation pour la mise en œuvre du procédé de renforcement d’un élément en matériau polymère thermoplastique présentant une surface d’applique, par une bande de renforcement d’un second matériau polymère thermoplastique, selon les étapes précitées, ladite installation comprenant : un dispositif de chauffage pour fournir localement de l’énergie thermique à ladite surface d’applique et à ladite bande de renforcement de manière à porter les premier et second polymères thermoplastiques en fusion ; et, un dispositif d’application pour appliquer ladite bande de renforcement contre ladite surface d’applique et pour pouvoir souder ensemble ladite bande de renforcement et ledit élément à renforcer. Le dispositif de chauffage comprend une torche à plasma pour projeter un plasma contre ladite bande de renforcement et contre ladite surface d’applique et pour fournir localement ladite énergie thermique à ladite bande de renforcement et à ladite surface d’applique. Grâce à la torche à plasma, on obtient tous les avantages précités au regard du procédé.
Au surplus, de façon particulièrement avantageuse, ladite torche à plasma est installée sur ledit dispositif d’application. De la sorte, à mesure que le dispositif d’application est entraîné en translation par rapport à l’élément en matériau polymère thermoplastique, la torche à plasma l’est également de manière à venir balayer successivement des zones de la surface d’applique pour porter en fusion le polymère thermoplastique comme on l’expliquera en détail dans la suite de la description.
D’autres particularités et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après d’un mode de réalisation particulier de l’invention, donné à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
est une vue schématique partielle de côté montrant une installation selon l’invention ;
est une vue schématique de détail de l’installation représentée sur la figure [Fig. 1] ; et,
est un organigramme des étapes du procédé conforme à l’invention.
La figure montre partiellement une installation 10 conforme à l’invention. Elle comporte une tête d’application 12 portée par un robot non représenté, permettant d’appliquer un ruban de renforcement 14 en matériau polymère thermoplastique sur un élément composite 16 dont la matrice est constituée d’un matériau polymère thermoplastique également. Le ruban de renforcement 14 présente une largeur prédéfinie de l’ordre du centimètre, par exemple de 2,5 cm, et peut également être qualifié de bande de renforcement. Aussi, la matrice de l’élément composite 16 est par exemple réalisée en Polypropylène (PP). Elle peut également être réalisée en polyamide (PA), en Polysulfure de phénylène (PPS), en Polyéthercétonecétone (PEKK) ou encore en Polyétheréthercétone (PEEK), sans que ces exemples soient limitatifs. Aussi, la matrice inclut des fibres de renfort en carbone. Elle peut également être renforcée par des fibres de verre. L’élément composite 16 est par exemple une pièce de structure à renforcer et elle définit ici une surface d’applique 18 présentant une portion sensiblement plane.
La tête d’application 12 comprend à l’une de ses extrémités un galet d’appui 20, tandis qu’à l’opposé, elle comprend une bobine de réception 22 à l’intérieur de laquelle est enroulé le ruban de renforcement 14. La bobine de réception 22 permet également de créer une tension dans le ruban lors de sa dépose. Le galet d’appui 20 est ici porté en appui contre la surface d’applique 18 et son axe de rotation 24 est sensiblement parallèle à la surface d’applique 18.
Le ruban de renforcement thermoplastique 14 est renforcé ici de fibres de carbone tout comme l’élément composite 16 et il présente une matrice polymère identique à celle de l’élément composite. La bobine de réception 22 présente un axe de rotation parallèle à l’axe de rotation 24 du galet d’appui 20, et une portion du ruban de renforcement thermoplastique 14 s’étend de la bobine de réception 22, jusqu’au galet d’appui 20, en prenant appui entre les deux, sur un galet de renvoi 26. Ainsi, la tête d’application 12 est maintenue orientée par rapport à l’élément composite 16, de manière à ce que le ruban de renforcement thermoplastique 14 présente une première zone d’appui 25 ici adaptée à être pressé à plat contre la surface d’applique 18 de l’élément composite 16 par l’intermédiaire du galet d’appui 20, et une seconde zone 28 en appui sur le galet de renvoi 26, maintenue écartée de la surface d’applique 18.
Aussi, la tête d’application 12 est adaptée à être entraînée en translation grâce au robot selon la flèche T telle que représentée sur la figure comme on l’expliquera ci-après.
Conformément à l’invention, l’installation 10 comprend une torche à plasma 30 installée sur la tête d’application 12, le long de la portion 32 de ruban de renforcement thermoplastique 14 qui s’étend du galet de renvoi 26 jusqu’au galet d’appui 20. La torche à plasma 30 est reliée à une alimentation en énergie électrique 31, et à une alimentation en gaz 33.
La torche à plasma 30 est orientée dans l’angle aiguë formé par la portion 32 de ruban de renforcement thermoplastique 14 et la surface d’applique 18 de l’élément 16, en amont du galet d’appui 20. La torche à plasma 30 permet ainsi de fournir de l’énergie thermique, non seulement au ruban de renforcement thermoplastique 14 de manière à ce que la matrice polymère thermoplastique puisse être portée en fusion, mais aussi, au polymère thermoplastique de la surface d’applique 18.
On se référera ainsi à la figure montrant plus en détail la torche à plasma 30, et son orientation par rapport à la portion 32 de ruban de renforcement thermoplastique 14 et à la surface d’applique 18, lesquels convergent vers le galet d’appui 20.
La torche à plasma 30 met en œuvre ici des post-décharges hors équilibre thermique, autrement dit un plasma froid. La torche à plasma 30 comprend ainsi une tuyère terminée par un orifice de sortie. Elle comporte également une électrode excitatrice située coaxialement à l’intérieur de la tuyère en regard de l’orifice de sortie, tandis que la tuyère est à la masse. Aussi, l’électrode excitatrice est portée à un potentiel alternatif à haute fréquence, de type radiofréquence, tandis que le gaz plasmagène injecté dans la tuyère est un gaz noble et en l’espèce de l’argon. On obtient de la sorte, à la sortie de l’orifice de la tuyère, un jet de plasma 34, soit un gaz ionisé chaud exempt d’oxygène et focalisé à la jonction de la portion 32 de ruban et de la surface d’applique 18 sous le galet d’appui 20.
La torche à plasma 30 est ainsi conçu de manière à produire un jet de plasma 34 focalisé afin de fournir une densité d’énergie thermique homogène sur une surface utile définie à la jonction de la portion 32 de ruban et de la surface d’applique 18 sous le galet d’appui 20, en limitant au minimum l’énergie transmise en dehors de cette zone.
De la sorte, on fournit de l’énergie thermique par convection et on vient porter en fusion de manière locale les matériaux polymères thermoplastiques du ruban de renforcement 14 et de l’élément 16.
On se reportera maintenant sur l’organigramme de la figure en gardant un œil sur les autres figures pour décrire le procédé de renforcement conforme à l’invention.
Ainsi, selon une première étape 36, on été fournit l’élément à renforcer 16 présentant sa surface d’applique 18 et la bande de renforcement 14. On étend la bande de renforcement entre la première zone 25 en appui sur la surface d’applique 18 et la seconde zone 28 écartée de la surface d’applique 18.
Selon une deuxième étape 38, on projette un plasma contre ladite bande de renforcement et contre la surface d’applique 18 pour fournir localement l’énergie thermique à la bande de renforcement 14 et à ladite surface d’applique 18 de manière à porter les premier et second polymères thermoplastiques en fusion.
Ensuite, selon une troisième étape 40, on entraîne la tête d’application 12 en translation selon la flèche T telle que représentée sur la figure pour pouvoir appliquer progressivement la bande de renforcement 14 contre la surface d’applique 18, de la première zone 25 vers la seconde zone 28. De la sorte, on soude ensemble la bande de renforcement 14 et l’élément à renforcer 16. Ainsi, au fur et à mesure de l’avancement de la tête d’application 12, la bande de renforcement se déroule de manière continue et les portions successives de bande s’achemine vers le galet d’appui 20. Aussi, le polymère thermoplastique qui la constitue se ramollie grâce au jet de plasma 34, puis atteint son point de fusion lorsque les portions de ruban atteignent le galet d’appui 20.
Parallèlement, le jet de plasma 34 apporte de l’énergie thermique à la surface d’applique 18 et aux portions de surface qui convergent vers le ruban 14 et le galet d’appui 20.
Aussi, le mouvement de la tête d’application 12 se poursuivant, le galet d’appui 20 vient presser le ruban 14 dont le polymère est à l’état de fusion, tout comme le polymère de la surface d’applique 12, et vient alors solidariser le ruban 14 et la surface d’applique 18 qui se soudent l’un à l’autre après refroidissement des polymères.

Claims (11)

  1. Procédé de renforcement d’élément en matériau polymère thermoplastique comprenant les étapes suivantes :
    - on fournit d’une part un élément (16) à renforcer réalisé dans un premier matériau polymère thermoplastique et présentant une surface d’applique (18), et d’autre part une bande de renforcement (14) d’un second matériau polymère thermoplastique ;
    - on fournit localement de l’énergie thermique à ladite surface d’applique (18) et à ladite bande de renforcement (14) de manière à porter les premier et second polymères thermoplastiques en fusion ; et,
    - on applique ladite bande de renforcement (14) contre ladite surface d’applique (18) pour pouvoir souder ensemble ladite bande de renforcement (14) et ledit élément (16) à renforcer ;
    caractérisé en ce qu’on projette un plasma (34) contre ladite bande de renforcement (14) et contre ladite surface d’applique (18) pour fournir localement ladite énergie thermique à ladite bande de renforcement (14) et à ladite surface d’applique (18).
  2. Procédé de renforcement selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’on étend ladite bande de renforcement (14) entre une première zone (25) en appui sur ladite surface d’applique (18) et une seconde zone (28) écartée de ladite surface d’applique (18), et en ce qu’on applique progressivement ladite bande de renforcement (14) contre ladite surface d’applique (18), de ladite première zone (25) vers ladite seconde zone (28).
  3. Procédé de renforcement selon la revendication 2, caractérisé en ce qu’on projette ledit plasma (34) entre ladite bande (14) et ladite surface d’applique (18).
  4. Procédé de renforcement selon la revendication 3, caractérisé en ce qu’on projette ledit plasma (34) selon une direction sensiblement parallèle à ladite bande (14).
  5. Procédé de renforcement selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce qu’on focalise ledit plasma (34) dans une zone de convergence de ladite bande (14) et de ladite surface d’applique (18).
  6. Procédé de renforcement selon l’une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu’on fournit ladite bande de renforcement (14) pré-enroulée, et en ce qu’on déroule ladite bande de renforcement (14) de manière continue, tandis qu’on applique progressivement ladite bande de renforcement (14) contre ladite surface d’applique (18).
  7. Procédé de renforcement selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu’on produit ledit plasma (34) avec le gaz argon.
  8. Procédé de renforcement selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu’on fournit une bande de renforcement (14) comprenant des fibres de renfort noyées dans ledit second matériau polymère thermoplastique.
  9. Procédé de renforcement selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que lesdits premier et second matériaux polymères thermoplastiques sont de même nature chimique.
  10. Installation (10) pour la mise en œuvre du procédé de renforcement d’un élément en matériau polymère thermoplastique présentant une surface d’applique (18), par une bande de renforcement (14) d’un second matériau polymère thermoplastique, selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, ladite installation comprenant :
    - un dispositif de chauffage (30) pour fournir localement de l’énergie thermique à ladite surface d’applique (18) et à ladite bande de renforcement (14) de manière à porter les premier et second polymères thermoplastiques en fusion ; et,
    - un dispositif d’application (12) pour appliquer ladite bande de renforcement (14) contre ladite surface d’applique (18) et pour pouvoir souder ensemble ladite bande de renforcement (14) et ledit élément (16) à renforcer ;
    caractérisé en ce que ledit dispositif de chauffage (30) comprend une torche à plasma pour projeter un plasma (34) contre ladite bande de renforcement (14) et contre ladite surface d’applique (18) et pour fournir localement ladite énergie thermique à ladite bande de renforcement (14) et à ladite surface d’applique (18).
  11. Installation selon la revendication 10, caractérisée en ce que ladite torche à plasma (30) est installée sur ledit dispositif d’application (12).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2016020257A1 (fr) * 2014-08-04 2016-02-11 Dedienne Multiplasturgy Group Procédé de fabrication d'une pièce renforcée comportant un matériau composite
DE102015122026A1 (de) * 2015-12-16 2017-06-22 Automation Steeg & Hoffmeyer Gmbh Vorrichtung und Verfahren zur Komposition von Faser-Kunststoff-Verbunden mit hohen Appliziergeschwindigkeiten

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