FR3100153A1 - Tete d'application de fibres avec rouleau souple particulier - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne une tête d’application de fibres pour la réalisation de pièces en matériau composite, comprenant rouleau de compactage (2) comprenant un tube central (4) rigide par lequel ledit rouleau est monté rotatif sur une structure support de la tête, et au moins une pièce cylindrique (3) réalisée en un matériau souple assemblée sur ledit tube central, et une couche extérieure (5) recouvrant la pièce cylindrique, caractérisée en ce que ledit tube central (4) est muni d’au moins un trou radial (44) traversant, ladite pièce cylindrique (3) ayant des moyens de communication fluidique (34) aptes à mettre en communication fluidique ledit trou radial avec la surface externe (32) de ladite pièce cylindrique, de manière à maintenir la couche extérieure sur la pièce cylindrique par aspiration par mise sous vide du passage interne (41) du tube central. Figure pour l’abrégé : Fig 4
Description
La présente invention concerne une tête d’application de fibres pour une machine d’application de fibres pour la réalisation de pièces en matériau composite, et plus particulièrement une tête dite de placement de fibres équipée d’un rouleau d’application particulier. La présente invention concerne également un procédé de fabrication de pièces en matériau composite au moyen d’une tête d’application correspondante.
Il est connu des machines d’application de fibres, appelées couramment machines de placement de fibres, pour l'application au contact sur un outillage de drapage, tel qu’un moule mâle ou femelle, d'une bande large formée de plusieurs fibres plates continues, de type rubans, sèches ou imprégnées de résine thermodurcissable ou thermoplastique, notamment des fibres de carbone constituées d’une multitude de fils ou filaments de carbone.
Ces machines sont utilisées pour réaliser des préformes formées de plusieurs plis superposés, chaque pli étant formé par drapage sur le moule d’une ou plusieurs bandes côte à côte. Dans le cas d’un drapage de fibres pré-imprégnées de résine thermoplastique ou thermodurcissable, classiquement en une quantité d’au moins 40% en poids, la préforme pré-imprégnée obtenue après drapage est durcie ou polymérisée par passage dans un four pour obtenir une pièce en matériau composite. Dans le cas de fibres dites sèches, non pré-imprégnées de résines, les fibres comprennent une quantité réduite de résine dite de liaison, appelée également liant, généralement une résine thermoplastique, en une quantité inférieure ou égale à 5% en poids, pour conférer un caractère collant aux fibres lors du drapage. Après drapage, la préforme dite sèche est soumise à une opération d‘injection ou d’infusion de résine avant l’étape de durcissement.
Ces machines, telles que décrites dans le document brevet WO2006/092514, comprennent classiquement une tête d’application de fibres, un système de déplacement de ladite tête, des moyens de stockage de fibres, et des moyens d'acheminement des fibres pour acheminer les fibres desdits moyens de stockage vers la tête. La tête comprend classiquement un rouleau d'application, également appelé rouleau de compactage, destiné à venir en contact contre le moule pour appliquer la bande, et des moyens de guidage des fibres sur ledit rouleau d'application.
La tête comprend en outre généralement un système de chauffage pour chauffer les fibres. Le rouleau de compactage presse la bande de fibres contre la surface d’application du moule, ou contre la ou les bandes de fibres précédemment déposées, afin de faciliter l’adhésion des bandes déposées entre elles, ainsi que pour évacuer progressivement l’air emprisonné entre les bandes déposées. Le système de chauffage assure un chauffage de la bande de fibres à appliquer, et/ou du moule ou des bandes déjà appliquées en amont du rouleau de compactage, juste avant le compactage de la bande, afin d’au moins ramollir la résine de pré-imprégnation ou la résine de liaison, et ainsi favoriser l’adhésion des bandes entre elles.
Dans le cas de résines thermodurcissables, les fibres pré-imprégnées sont simplement chauffées pour les ramollir, classiquement à des températures de l’ordre de 40°C. Le système de chauffage comprend classiquement un système de chauffage infrarouge comprenant une ou plusieurs lampes infrarouges.
Dans le cas de résines thermoplastiques, les fibres pré-imprégnées ou munies d’un liant doivent être chauffées à des températures plus élevées, au moins jusqu’à la température de fusion de la résine, soit de l’ordre de 200 °C pour des résines de type nylon, et jusqu’à environ 400°C pour des résines de type PEEK.
Pour atteindre ces températures plus élevées, il a été proposé des systèmes de torche à air chaud, et plus récemment des systèmes de chauffage de type laser pour obtenir un chauffage précis et concentré. En raison des températures de chauffage élevées, les têtes de placement de fibres sont classiquement équipées de rouleaux de compactage métalliques, résistants à la chaleur, qui peuvent en outre être refroidis par l’intérieur via un circuit d’eau. Pour pouvoir s’adapter au profil de la surface d’application, il a été proposé des rouleaux de compactage métalliques segmentés, comprenant plusieurs segments de rouleaux indépendants montés côte à côte sur un même axe, chaque segment étant déplaçable radialement et de manière indépendante, et étant sollicité élastiquement contre la surface d’application. Ces rouleaux métalliques segmentés s’avèrent toutefois de structure et de mise en œuvre complexes.
Des rouleaux souples formés à partir d’un élastomère dit haute température, incluant un stabilisant thermique, sont également utilisés. Ces rouleaux comprennent généralement une couche extérieure formée une gaine antiadhérente thermorétractée et collée sur un cylindre en matériau élastomère, tel que décrit dans les document brevets FR 2948058 et FR 3009512. Pour les refroidir, il a été proposé d’équiper les têtes de placement d’un système de refroidissement apte à délivrer un flux d’air pour refroidir le rouleau par l’extérieur ou par l’intérieur, comme décrit dans le document brevet FR 2948058. Malgré ces systèmes de refroidissement, les rouleaux souples peuvent avoir tendance à se détériorer dans le cas de la mise en œuvre de résines thermoplastiques. Suivant les températures de chauffage utilisées, la gaine anti-adhérente peut avoir tendance à se dégrader rapidement. Le chauffage laser peut avoir tendance à détériorer la colle utilisée pour le collage de la gaine et conduire à un désassemblage de la gaine et du cylindre en matériau souple. Par ailleurs, la couche de colle détériorée absorbe le rayonnement laser et peut monter à des températures importantes pouvant détériorer la gaine.
Il a également été proposée dans le document brevet FR 3 044 255 une couche extérieure métallique flexible, de faible épaisseur, formée d’un feuillard dont le maintien est assuré par collage. Ladite couche métallique sert d’écran au rayonnement thermique émis par le système de chauffage, et permet d’éviter une surchauffe du rouleau de compactage. Ladite couche métallique est flexible, de sorte que le rouleau puisse se déformer pour permettre le drapage avec un effort de compactage. Après compactage, le cylindre en matériau souple reprend sa forme d’origine et sollicite la couche métallique vers sa forme cylindrique. Comme précédemment, le collage peut avoir tendance à se détériorer, en raison des températures élevées et/ou en raison d’une oxydation de la couche métallique dans le temps.
Dans le document brevet FR 3 073 446, il a également été proposé une gaine anti-adhérente non collée, ladite gaine anti-adhérente présente des parties latérales s’étendant au-delà de la surface cylindrique de la pièce cylindrique, l’assemblage de ladite gaine anti-adhérente à ladite pièce cylindrique étant réalisé par lesdites parties latérales. L’utilisation d’une gaine thermo-rétractable permet un assemblage simple et rapide de la gaine en partant d’une gaine sous forme de tube qui est par la suite thermo-rétractée sur la pièce cylindrique. Cet assemblage permet d’éviter un collage de la gaine au niveau de la zone de chauffe et donc d’éviter tous risques de détérioration de la gaine liée à une détérioration du collage due aux rayonnements. Ce rouleau s’avère particulièrement résistant. Pour garantir un parfait assemblage, notamment dans le cas d’une utilisation du rouleau pour des trajectoires avec des courbures importantes dans le plan des fibres (steering), ou pour du drapage sur des moules avec des passages de coin avec un effort de compactage important, il peut être nécessaire de prévoir des moyens de fixation venant en complément du thermoformage, ce qui complique le montage de la gaine.
Le but de la présente invention est de proposer une solution visant à pallier au moins un des inconvénients précités, qui permet notamment la mise en œuvre d’une grande variété de résines, tant thermodurcissables que thermoplastiques, avec un compactage sensiblement uniforme de la bande appliquée, et qui soit simple de conception et de réalisation.
A cet effet, la présente invention propose une tête d’application de fibres pour la réalisation de pièces en matériau composite, comprenant un système de compactage comprenant un rouleau de compactage, appelé également rouleau d’application, pour l’application d’une ou plusieurs fibres, en particulier d’une bande formée d’une ou plusieurs fibres plates sur une surface d’application, ledit rouleau de compactage comprenant un tube central rigide par lequel ledit rouleau est monté rotatif sur une structure support de la tête, et au moins une pièce cylindrique réalisée en un matériau souple, déformable élastiquement, assemblée coaxialement, directement ou indirectement, sur ledit tube central, et une couche extérieure recouvrant la pièce cylindrique, et de préférence un système de chauffage apte à émettre un rayonnement thermique en direction de la ou des fibres, de préférence juste avant application par le rouleau d’application, caractérisée en ce que ledit tube central est muni d’au moins un trou traversant, de préférence plusieurs trous radiaux, ladite pièce cylindrique ayant des moyens de communication fluidique aptes à mettre en communication fluidique ledit trou radial avec la surface externe de ladite pièce cylindrique, de manière à maintenir la couche extérieure sur la pièce cylindrique par aspiration, par mise sous vide du passage interne du tube central, l’aspiration assurant un blocage en translation et rotation de la gaine par rapport à ladite pièce cylindrique.
Selon l’invention, la couche extérieure est maintenue par aspiration sur la pièce cylindrique. Cet assemblage par aspiration selon l’invention assure un blocage simple et efficace en rotation et en translation de la couche extérieure sur la partie cylindrique. Cet assemblage par aspiration permet d’éviter un collage de la couche extérieure, et donc d’éviter tous risques de détérioration de la couche extérieure liée à une détérioration du collage due aux rayonnements.
Par ailleurs, ce principe d’assemblage par aspiration permet d’utiliser une grande variété de couche extérieure, notamment des gaines antiadhérentes non thermo-rétractable, formées à partir de tubes d’épaisseur importantes, par exemple d’au moins 0,5 mm, de préférence d’au moins 0,8 mm, mieux encore d’au moins 1 mm, obtenu par exemple par usinage d’un tube, par exemple des tubes PTFE, FEP ou PFA.
Par ailleurs, lorsque la couche extérieure est détériorée, ce principe d’assemblage par aspiration permet un remplacement simple et rapide de ladite couche extérieure. L’utilisation d’un rouleau muni d’une telle couche extérieure selon l’invention permet d’obtenir un rouleau de compactage souple thermiquement stable utilisable pour l’application de fibres à des températures élevées, notamment supérieure à 400°C, en particulier pour l’application de fibres imprégnées de résines thermoplastiques. La tête selon l’invention, qui comprend un rouleau de compactage simple de conception, offre la possibilité d’utiliser une grande variété de résines thermodurcissables ou thermoplastiques combinées à une grande variété de fibres, synthétiques ou naturelles, hybrides ou non, notamment des fibres couramment employées dans le domaine des composites, telles que les fibres de verre, les fibres de carbone, de quartz, et d'aramide.
Selon un mode de réalisation, ladite tête comprenant des moyens de mise sous vide aptes à mettre sous vide le passage interne du tube central, de manière à maintenir la couche extérieure sur la pièce cylindrique par aspiration. Dans ce mode de réalisation, la tête est équipée de moyens de mise sous vide, de sorte que le rouleau de compactage peut être mis sous vide en continu lors de son utilisation pour draper, et ainsi garantir un maintien efficace par aspiration de la couche extérieure, même en cas de fuites minimes. Selon un autre mode de réalisation, le rouleau de compactage est mis sous vide avant son utilisation, le rouleau de compactage étant alors équipé d’au moins une valve pour permettre la mise sous vide du passage interne du tube central. Selon un mode de réalisation, les moyens de mise sous vide comprennent une pompe à vide, par exemple une pompe à palettes, avec ou sans réservoir de vide, embarquée sur la tête d’application de fibres ou déportée.
Selon un mode de réalisation, lesdits moyens de communication fluidique comprennent au moins un canal, de préférence un canal radial, chaque canal débouchant sur un trou radial du tube central et sur la surface externe de la pièce cylindrique. De préférence, la pièce cylindrique comprend plusieurs canaux radiaux. Les trous radiaux sont répartis sur la paroi cylindrique du tube central. Le tube central présente par exemple plusieurs ensembles de trous décalés longitudinalement le long de l’axe du rouleau de compactage, chaque ensemble comprenant une pluralité de trous ménagés à espace angulaire régulier. Selon un autre mode de réalisation, la pièce cylindrique est formée d’une mousse à cellules ouvertes, lesdites cellules ouvertes constituant lesdits moyens de communication fluidique. Dans ce cas, la pièce cylindrique présente de préférence au niveau de ses faces latérales des cellules fermées garantissant l’étanchéité au niveau des faces latérales.
Selon un mode de réalisation, la surface cylindrique de la pièce cylindrique présente un réseau de rainures sur lequel débouchent le ou les canaux, ledit réseau de rainures s’interrompant à distance des faces latérales de la pièces cylindriques. L’utilisation d’une surface cylindrique ainsi texturée, avec un réseau de rainures, permet une répartition efficace du vide, et ainsi d’assurer un maintien efficace de la couche extérieure avec un nombre de canaux réduits. Le réseau de rainures permet une aspiration plus uniforme de la couche extérieure sur l’ensemble de sa surface interne.
Selon un mode de réalisation, ledit rouleau de compactage comprend une couche intermédiaire drainante intercalée entre la couche extérieure et la pièce cylindrique, ladite couche étant disposée dans un renfoncement de la surface cylindrique de sorte que la couche extérieure reste en contact contre deux portions latérales de la surface cylindrique de la pièce cylindrique. Ladite couche intermédiaire est formée de préférence à partir de fibres de verre, de fibres de carbone, de fibres ou fils métalliques, par exemple de cuivre ou d’inox, ou de fibres polymères, de préférence des fibres thermoplastiques, par exemple de fibres PAN ou PEEK, ladite couche pouvant se présenter sous la forme d’un feutre de fibres non tissé et/ou sous la forme d’un tissu. L’épaisseur et le grammage de la couche intermédiaire sont définies de manière à assurer un passage d’air suffisant pour permettre la mise sous vide. Dans le cas de fibres de verre, la couche intermédiaire forme un écran isolant, limitant la montée en température par conduction de la pièce cylindrique en matériau souple. Dans le cas de fibres métalliques, la couche intermédiaire forme un écran au rayonnement émis par le système de chauffage. Selon un mode de réalisation, ladite couche intermédiaire comprend des fibres verre, de préférence sous la forme d’un tissu, par exemple sous forme de manchon ou tresse.
Selon un mode de réalisation, chaque face latérale de la pièce cylindrique présente un renfoncement et/ou une plusieurs découpes, de préférence un renfoncement, définissant une languette annulaire flexible, dans le prolongement de la surface cylindrique, apte à se déformer lors de la mise sous vide pour se plaquer contre la couche extérieure. Ce système de languette flexible garantit une parfaite étanchéité lors de l’aspiration entre la couche extérieure et la pièce cylindrique au niveau des extrémités circulaires de la couche extérieure, notamment lors de l’écrasement du rouleau sous l’effort de compactage, et en particulier lors de l’utilisation d’une couche extérieure formée à partir d’un tube usiné.
Selon un mode de réalisation, en l’absence de couche extérieure, lesdites languettes annulaires s’étendent radialement vers l’extérieur depuis la surface cylindrique de la pièce cylindrique.
Selon un mode de réalisation, la couche extérieure comprend une gaine antiadhérente, formée de préférence d’un fluoropolymère, de préférence un fluoropolymère choisi dans le groupe constitué par un polytetrafluoroethylène (PTFE), un perfluoroalkoxy (PFA), un éthylène propylène fluoré (FEP), un éthylène tétrafluoroéthylène (ETFE), et un fluoroélastomère, par exemple un FPM, FFPM ou FEPM, ou un polyimide.
Selon un mode de réalisation, la gaine antiadhérente est formée d’un tube, de préférence un tube usiné, d’au moins 0,5 mm, de préférence d’au moins 0,8 mm d’épaisseur, mieux encore d’au moins 1 mm, par exemple un tube PTFE, PFA ou FEP. Selon un autre mode de réalisation, ladite gaine antiadhérente est formée d’un film thermo-rétractable qui est thermo-rétracté sur la pièce cylindrique.
Selon un mode de réalisation, la couche extérieure est une couche métallique formée de préférence d’un feuillard métallique, ayant une épaisseur comprise entre 0,02 millimètre et 1 millimètre, de préférence entre 0,02 et 0,5 millimètre, de préférence entre 0,02 et 0,2 millimètre, et mieux encore entre 0,050 et 0,2 millimètre, par exemple en acier, aluminium, laiton, cuivre, ou bronze. Ledit feuillard métallique peut présenter sur sa face extérieure un traitement anti-adhérent et/ou un traitement réfléchissant.
Selon un mode de réalisation, ledit rouleau de compactage comprend une pièce cylindrique en un matériau élastomère, de préférence non expansé, par exemple un silicone ou un polyuréthane, de préférence en silicone, présentant de préférence une dureté comprise entre 25 shore A et 90 shore A, de préférence d’au moins 40 shore A.
Selon un mode de réalisation, ledit tube central est équipé de roulements pour son montage rotatif sur une tige axiale creuse, ladite tige axiale étant montée, de préférence de manière fixe, par ses extrémités sur la structure support, de préférence au moyen de pièces support, le passage axial de ladite tige axiale étant apte à être connecté à des moyens de mise sous vide par au moins l’une de ses extrémités et étant en communication fluidique avec le passage interne du tube central par au moins un trou radial. La tige axiale est avantageusement connectée à des moyens de mise sous vide montés sur la tête, de sorte que le passage central soit mis sous vide en continu lors de l’utilisation du rouleau de compactage. Selon un autre mode de réalisation, la tige axiale est équipée d’une valve permettant de déconnecter des moyens de mise sous vide non embarqués sur la tête tout en maintenant le vide dans le passage interne, de sorte que le rouleau peut être mis sous vide avant utilisation.
Selon d’autres modes de réalisation, la tige centrale est montée fixe par rapport au tube central et est montée rotative par ses extrémités sur la structure support via des roulements, ou le tube central s’étend au-delà de la pièce cylindrique et est monté directement par ses extrémités sur la structure support via des roulements.
Selon un mode de réalisation, le rouleau de compactage comprend une pièce cylindrique en mousse, par exemple un élastomère expansé tel qu’une mousse polyuréthane, présentant de préférence une densité comprise entre 200 kg/m3et 500 kg/m3.Selon un mode de réalisation, la tête constitue une tête de placement de fibres comprenant des moyens de coupe et des moyens de réacheminement, et éventuellement de moyens de blocage de fibres. Selon un mode de réalisation la tête est utilisée pour effectuer une application de type enroulement filamentaire.
Selon un mode de réalisation, la tête comprend un système de chauffe de type laser, notamment des diodes laser, un laser YAG ou un laser à fibre, apte à émettre un faisceau laser en direction de la zone de contact entre le rouleau et une surface de drapage. En variante, le système de chauffage peut comprendre une ou plusieurs lampes infrarouges, ou un système de chauffage de type lampe flash, tel que décrit dans le document brevet WO2014/029969 ou WO2017/134453.
La présente invention a également pour objet un procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite comprenant l’application de fibres continues sur une surface d’application, caractérisé en ce que l’application de fibres est réalisée au moyen d’une tête d’application de fibres telle que définie précédemment, par déplacement relatif de la tête d’application par rapport à la surface de drapage selon des trajectoires de dépose, les fibres étant compactées lors de leur application au moyen dudit rouleau d’application.
Les fibres classiquement utilisées sont des fibres plates continues, appelées également mèches, généralement unidirectionnelles, et comprenant une multitude de filaments. Les fibres déposées peuvent être des fibres sèches ou des fibres pré-imprégnées de résine thermodurcissable ou thermoplastique. Les fibres présentent typiquement des largeurs de 1/8, 1/4 ou 1/2 pouces. Dans la présente, le terme «fibres » désigne également des fibres de plus grande largeur, supérieure à 1/2 pouce, classiquement appelée bande dans la technologie du placement.
Le procédé selon l’invention est particulièrement avantageux dans le cas de la réalisation de préformes sèches réalisées à partir de fibres sèches munies d’un liant et/ou de préformes thermoplastiques réalisées à partir de fibres pré-imprégnées de résine thermoplastique, nécessitant des températures de chauffage importante lors du drapage pour au moins atteindre le point de fusion du liant et/ou des résines thermoplastiques.
Dans le cas d’une préforme sèche, le procédé comprend en outre une étape d’imprégnation de résine dans la préforme sèche, par ajout d’une ou plusieurs résines d’imprégnation par infusion ou injection à la préforme sèche, et une étape de durcissement pour obtenir une pièce en matériau composite. Dans le cas d’une préforme thermoplastique, la préforme peut éventuellement être soumise à une étape de consolidation supplémentaire pour obtenir une pièce finale en matériau composite. Une consolidation in situ peut également être obtenue lors de l‘application des fibres.
L’application de fibres peut être effectuée sur la surface d’application d’un outillage pour former une préforme, tel que décrit précédemment, par placement de fibre, placement de bande, et/ou bobinage. Selon un autre mode de réalisation, l’application de fibres est réalisée directement sur la surface d’application d’une pièce préfabriquée, pour renforcer cette pièce avec des renforts de fibres unidirectionnelles, la pièce préfabriquée étant par exemple une pièce obtenue par injection, moulage ou fabrication additive, à partir d’une ou plusieurs résines thermoplastiques et/ou thermodurcissables.
L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui va suivre de modes de réalisation particuliers actuellement préférés de l'invention, en référence aux dessins schématiques annexés, sur lesquels :
En référence à la Fig 1, la tête d’application 1 comporte un rouleau de compactage 2 qui est monté rotatif autour d’un axe A sur une structure support 12 de la tête. La tête est prévue pour l’application d’une bande formée de plusieurs fibres disposées côte à côte. La tête est montée par ladite structure support 12 à l’extrémité d’un système de déplacement (non représentée), par exemple un poignet de robot. La tête comprend en outre un système de chauffage 9 monté également sur la structure support, en amont du rouleau par rapport à la direction d’avancement D de la tête d’application lors de l’application de la bande de fibres sur une surface d’application S. Le système de chauffage est par exemple un système de chauffage de type laser, dont le rayonnement est dirigé en direction de la bande, juste avant son compactage, ainsi que vers la ou les bandes déjà déposées. Tel qu’illustré à la figure 1, le rayonnement 91 est ainsi dirigé obliquement vers la zone de pincement ou zone de contact entre le rouleau d’application et la surface d’application, pour chauffer une section de bande disposée sur le rouleau, avant son compactage par ce dernier, ainsi que la surface d’application et/ou une ou plusieurs bandes préalablement appliquées. Dans le cas d’une machine de placement de fibres, la tête comprend des moyens de guidage 11 qui guident les fibres entrant dans la tête vers le rouleau de compactage 2 sous la forme d’une bande de fibres, les fibres de la bande étant disposées côte à côte de manière sensiblement jointives. Par déplacement de la tête par le robot, le rouleau de compactage est amené en contact avec la surface d’application d’un moule S pour appliquer la bande. Les fibres sont de préférence des fibres continues plates, de type mèches, pré-imprégnées d’une résine thermodurcissable ou d’une résine thermoplastiques, ou des fibres sèches munies d’un liant. Le liant est sous forme de poudre et/ou d’un ou plusieurs voiles, de préférence de type thermoplastique.
En référence aux figures 2 à 7, le rouleau de compactage 2 comprend une pièce ou corps cylindrique 3 en un matériau souple, élastiquement déformable par compression. La pièce cylindrique présente un passage central 31 (Fig 7) cylindrique pour son assemblage sur un noyau support formé d’un tube central 4 rigide cylindrique, par exemple métallique, tel qu’en aluminium. La pièce cylindrique 3 et le tube central 4 sont coaxiaux et sont solidaires en rotation l’un de l’autre. La pièce cylindrique comprend ici une seule partie cylindrique avec une surface cylindrique 32 et deux faces latérales 33. La surface cylindrique de la pièce cylindrique est revêtue d’une couche extérieure formée ici gaine anti-adhérente 5 extérieure.
La pièce cylindrique 3 en matériau souple confère au rouleau de compactage une capacité d’écrasement qui permet au rouleau de compactage de s’adapter aux variations de courbure de la surface d’application et ainsi d’appliquer une pression sensiblement uniforme sur l’ensemble de la bande déposée. Le tube central rigide permet le montage rotatif du rouleau sur la structure support. La gaine anti-adhérente par laquelle le rouleau est en contact avec la bande, limite l’adhérence du rouleau aux fibres, ainsi que l’encrassement du rouleau. A titre d’exemple, la pièce cylindrique est obtenue par moulage sur le tube central, l’assemblage de la pièce cylindrique sur le tube central étant obtenue lors du moulage, avec un éventuel traitement de surface approprié du tube central.
Le montage du rouleau sur la tête est réalisé au moyen d’une tige axiale 6 montée dans le passage interne 41 du tube central 4 par l’intermédiaire de deux roulements à billes 42, et montée fixe en rotation sur la structure support 12. Le tube central présentant avantageusement à chaque extrémité un premier lamage 43 pour le montage d’un roulement 42. Les extrémités de la tige axiale 6 sont assemblées à deux pièces support 7 pour permettre le montage du rouleau sur la structure support de la tête. Chaque pièce support 7 présente un trou cylindrique 71 recevant une extrémité de la tige axiale, une vis 72 (Fig 5) assurant le blocage en rotation et en translation de la tige axiale dans ledit trou cylindrique. Chaque pièce support comprend avantageusement des moyens de connexion 73 aptes à coopérer avec des moyens de connexion complémentaires de la structure support pour un montage/démontage rapide des pièces support sur la structure support. Le blocage en translation du rouleau 2 sur la tige axiale 6 est assurée par deux circlips 65 montés dans des rainures annulaires de la tige centrale.
Selon l’invention, le maintien de la gaine anti-adhérente sur la pièce cylindrique est réalisée par aspiration. Pour ce faire, le tube central 4 est muni de trous radiaux 44, par exemple cylindrique, traversant la paroi cylindrique du tube central de part en part. Les trous radiaux débouchent ainsi sur le passage interne 41 du tube central et sur la pièce cylindrique 3. Cette dernière est munie de canaux radiaux 34, alignés avec lesdits trous radiaux 41, et présentant des diamètres sensiblement identiques à ceux desdits trous radiaux. Chaque canal radial 34 s’étend radialement vers l’extérieur depuis un trou radial et débouche sur la surface cylindrique 32 externe de la pièce cylindrique 3. La tige axiale 6 présente un passage axial 61 débouchant sur les extrémités de la tige, et des trous radiaux 62 permettant de mettre en communication fluidique ledit passage axial 61 et le passage interne 42 du tube central, entre les deux roulements 44. Le passage axial 61 de la tige axiale est obturé en extrémité par des vis 63 et la tige axiale présente à chaque extrémité un alésage radial débouchant sur le passage axial 61 et sur un canal 73 (Fig. 5) équipé d’un connecteur 74 pour la connexion au moyen d’un tuyau flexible à une pompe à vide déportée. La pompe à vide, connue en soi, est par exemple montée sur la structure support de la tête.
Lors de l’utilisation de la tête pour draper des fibres, la pompe à vide est mise en marche, l’air entre la gaine anti-adhérente 5 et la surface cylindrique 32 de la pièce cylindrique 3 est aspiré par la pompe à vide, l’air passant dans les canaux radiaux 34 de la pièce cylindrique, les trous radiaux 44 du tube central, le passage interne 41 du tube central, les trous radiaux 62 de la tige axiale, puis le passage axial 61 et les alésages radiaux 64 de cette dernière.
En variante, la mise sous vide est effectuée par une seule des deux extrémités de la tige axiale. Selon un mode de réalisation, la mise sous vide est effectuée par au moins l’une des extrémités ouvertes de la tige axiale. A titre d’exemple, l’une des extrémités est obturée par une vis, tandis que l’autre est équipée d’un connecteur pour son branchement à une pompe à vide via un tuyau flexible.
Avantageusement, pour éviter toute fuite entre la tige axiale et le tube central lors de la mise sous vide, deux bagues d’étanchéité 44, formées par exemple des joints à lèvre, sont montés dans le tube central, de préférence au niveau de deuxièmes lamages 45 disposés entre les premiers lamages. En variante, le tube central est équipé de roulement étanches.
Avantageusement, pour limiter le nombre de canaux radiaux tout en garantissant une bonne répartition du vide, la surface cylindrique 32 présente un ensemble de rainures sur lesquelles débouchent les canaux radiaux 34. Le réseau de rainures est formé sur la surface cylindrique à distance des faces latérales 33, entre deux portions annulaires dépourvues de rainures, de sorte que les rainures ne débouchent pas sur les faces latérales. Dans l’exemple illustré, le réseau de rainures comprend un quadrillage de rainures à 30°, référencées 35a, et de rainures à -30°, référencées 35b, et des rainures longitudinales 35c passant au niveau des croisements entre les rainures à 30° et les rainures à -30°. Les canaux radiaux 34 débouchent sur le fond des rainures longitudinales. A titre d’exemple, la pièce cylindrique comprend trois ensembles de canaux radiaux 34 décalé longitudinalement le long de l’axe A du rouleau, chaque ensemble comprend plusieurs canaux radiaux disposés à espace angulaire régulier, par exemple six canaux radiaux à 60° les uns des autres. Le tube central comprend alors trois ensembles de trous radiaux 32 comprenant chacun six trous radiaux à 60° les uns des autres. Les canaux radiaux sont par exemple formés lors du moulage de la pièce cylindriques, en positionnant des inserts dans les trous radiaux du tube central.
Pour garantir une bonne étanchéité au niveau des extrémités circulaire de la gaine anti-adhérente lors de la mise sous vide, la pièce cylindrique présente au niveau de chaque face latérale un renfoncement annulaire 36 formant une languette annulaire 37. Par ailleurs, en référence à la figure 7, ces languettes annulaires s’étendent avantageusement radialement vers l’extérieur par rapport à la surface cylindrique. Ces languettes sont par exemple formées lors du moulage de la pièce cylindrique ou par usinage d’un bloc cylindrique. Lorsque la gaine antiadhérente est emmanchée sur la pièce cylindrique, les languettes annulaires peuvent se déformer radialement vers l’intérieur et sont en appui élastique contre la gaine antiadhérente, garantissant ainsi un contact étanche entre la gaine et la pièce cylindrique lors de la mise sous vide. Selon une variante de réalisation, chaque languette est formée non pas par un renfoncement mais par une découpe annulaire formée sur la face latérale.
La pièce cylindrique est par exemple constituée d’un élastomère non expansé, tel qu’un silicone ou polysiloxane, ou un polyuréthane, de préférence un silicone, par exemple un silicone bi-composant polymérisable à température ambiante. La pièce cylindrique présente une dureté comprise entre 25 shore A et 90 shore A, par exemple de 40, 50 ou 60 shore A, qui sera choisie en fonction du taux d’écrasement souhaité du rouleau pour un effort de compactage donné, ce taux d’écrasement étant notamment défini en fonction de la complexité de la surface d’application.
La gaine anti-adhérente est par exemple formé d’un tube d’une épaisseur d’au moins 1 millimètre obtenu par usinage, de préférence un tube en PTFE, FEP ou PFA.
Selon un autre mode de réalisation, la couche extérieure comprend une gaine antiadhérente formée d’un film thermo-rétractable. Un film tubulaire, par exemple en PTFE, FEP ou PFA, est emmanché sur la pièce cylindrique puis thermo-rétracté sur cette dernière. Selon d’autres modes de réalisation, la couche extérieure est une couche métallique flexible telle que décrite dans le document brevet précité FR 3 044 255, par exemple formé d’un feuillard en cuivre.
Le système de chauffage de type laser peut comprendre des diodes laser, disposées en une ou plusieurs rangées, émettant un rayonnement de longueur(s) d’onde comprise(s) entre 880 à 1030 nm par exemple, un laser à fibre optique ou un laser YAG, émettant à une longueur d’onde de l’ordre de 1060 nm.
La figure 8 illustre un deuxième mode de réalisation de l’invention dans lequel le rouleau de compactage 102 comprend comme précédemment un tube central rigide 104 muni de trous radiaux 144, une pièce cylindrique 103 en matériau souple élastiquement déformable muni de canaux radiaux 144, et une couche extérieure 105 maintenue en position par une mise sous vide via lesdits trous radiaux et canaux radiaux. Dans ce mode de réalisation, le réseau de rainures décrit précédemment pour une répartition de l’aspiration et un maintien efficace de la couche extérieure, est remplacé par une couche intermédiaire 108 drainante positionnée dans un renfoncement 138 formé sur la surface cylindrique de la pièce cylindrique, de sorte que la couche drainante ne s’étend pas jusqu’aux faces latérales de la pièce cylindrique. La pièce cylindrique comprend ici un ensemble de six canaux radiaux disposés à espace angulaire régulier, débouchant sur le renfoncement 138, et disposés dans le prolongement de six trous radiaux du tube central. La couche intermédiaire 108 drainante est formée ici d’un tissu de fibres de verre, par exemple sous la forme d’un manchon ou tresse. La couche intermédiaire présente une certaine élasticité pour suivre les déformations de la pièce cylindrique lors de la mise en appui du rouleau contre la surface d’application.
Bien que l’invention ait été décrite en liaison avec différents modes de réalisation particuliers, il est bien évident qu’elle n’y est nullement limitée et qu’elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l’invention.
Claims (13)
- Tête d’application de fibres pour la réalisation de pièces en matériau composite, comprenant un système de compactage comprenant un rouleau de compactage (2, 102) pour l’application d’une ou plusieurs fibres sur une surface (S) d’application, ledit rouleau de compactage comprenant un tube central (4) rigide par lequel ledit rouleau est monté rotatif sur une structure support de la tête, et au moins une pièce cylindrique (3, 103) réalisée en un matériau souple, déformable élastiquement assemblée sur ledit tube central, et une couche extérieure (5, 105) recouvrant la pièce cylindrique, caractérisée en ce que ledit tube central (4, 104) est muni d’au moins un trou radial (44, 144) traversant, ladite pièce cylindrique (3, 103) ayant des moyens de communication fluidique (34, 134) aptes à mettre en communication fluidique ledit trou radial avec la surface externe (32) de ladite pièce cylindrique, de manière à maintenir la couche extérieure sur la pièce cylindrique par aspiration par mise sous vide du passage interne (41) du tube central.
- Tête d’application de fibres selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite tête comprend des moyens de mise sous vide aptes à mettre sous vide le passage interne (41) du tube central, de manière à maintenir la couche extérieure sur la pièce cylindrique par aspiration.
- Tête d’application de fibres selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que lesdits moyens de communication fluidique comprennent au moins un canal (34 ; 134), chaque canal débouchant sur un trou radial (44, 144) du tube central (4, 104) et sur la surface externe (32) de la pièce cylindrique.
- Tête d’application de fibres selon la revendication 3, caractérisée en ce que la surface cylindrique (32) de la pièce cylindrique (3) présente un réseau de rainures (35a, 35b, 35c) sur lequel débouchent le ou les canaux (34), ledit réseau de rainures s’interrompant à distance des faces latérales de la pièces cylindriques.
- Tête d’application de fibres selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que ledit rouleau de compactage (102) comprend une couche intermédiaire (108) drainante intercalée entre la couche extérieure (105) et la pièce cylindrique (103), ladite couche étant disposée dans un renfoncement (138) de la surface cylindrique de sorte que la couche extérieure (105) reste en contact contre deux portions latérales de la surface cylindrique de la pièce cylindrique.
- Tête selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que chaque face latérale (33) de la pièce cylindrique présente un renfoncement (36) et/ou une ou plusieurs découpes définissant une languette annulaire (37) flexible apte à se déformer lors de la mise sous vide pour se plaquer contre la couche extérieure.
- Tête selon la revendication 6, caractérisée en ce que, en l’absence de couche extérieure (5, 105), lesdites languettes annulaires (37) s’étendent radialement vers l’extérieur depuis la surface cylindrique (32) de la pièce cylindrique.
- Tête selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la couche extérieure comprend une gaine antiadhérente formée d’un fluoropolymère ou un polyimide.
- Tête selon la revendication 8, caractérisée en ce que la gaine antiadhérente est formée d’un tube d’au moins 0,5 mm d’épaisseur, de préférence d’au moins 0,8 mm d’épaisseur.
- Tête selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la couche extérieure est une couche métallique formée d’un feuillard métallique, ayant une épaisseur comprise entre 0,02 millimètre et 1 millimètre.
- Tête selon l’une des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que ledit rouleau de compactage comprend une pièce cylindrique en un matériau élastomère présentant de préférence une dureté comprise entre 25 shore A et 90 shore A.
- Tête selon l’une des revendications 1 à 11, caractérisée en ce que ledit tube central (4) est équipé de roulements (44) pour son montage rotatif sur une tige axiale (6) creuse, ladite tige axiale étant montée, par ses extrémités sur la structure support (12), le passage axial (61) de ladite tige axiale étant apte à être connecté à des moyens de mise sous vide par au moins l’une de ses extrémités et étant en communication fluidique avec le passage interne (41) du tube central par au moins un trou radial (62).
- Procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite comprenant l’application de fibres continues sur une surface d’application, caractérisé en ce que l’application de fibres est réalisée au moyen d’une tête d’application de fibres selon l’une des revendications 1 à 12, par déplacement relatif de la tête d’application par rapport à la surface de drapage selon des trajectoires de dépose, les fibres étant compactées lors de leur application au moyen dudit rouleau d’application.
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