FR3122175A1 - Dispositif de dévidement d’une bobine de fibres de carbone - Google Patents

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Dispositif de dévidement d’une bobine de fibres de carbone L’invention concerne un dispositif (36) de dévidement d’au moins une mèche (M) d’une bobine (38) comprenant : un bâti (40) fixe ;un plateau (42) portant au moins un porte-bobine (56) s’étendant selon un axe (B) sensiblement perpendiculaire au plateau (42) et destiné à recevoir une bobine (38) apte à tourner autour dudit axe du porte-bobine (56) ;une tête (44) de dépose de ladite au moins une mèche (M) de ladite bobine (38), la tête (44) de dépose étant portée par le plateau (42) et s’étendant selon un axe parallèle à l’axe (B) dudit porte-bobine (56) et dans un sens opposé audit porte-bobine (56) ;un orifice formé au travers du plateau (42) et traversé par l’axe de la tête (44) de dépose de manière à permettre le passage de ladite au moins une mèche (M) d’une bobine (38) vers la tête (44) de dépose ;et dans lequel le plateau (42) est rotatif autour de l’axe (F) de la tête (44) de dépose sur le bâti. Figure de l’abrégé : Figure 2

Description

Dispositif de dévidement d’une bobine de fibres de carbone
Le présent document concerne un dispositif de dévidement d’une ou de plusieurs bobines en vue de réaliser notamment un enroulement d’au moins une mèche d’une bobine autour d’un objet tel qu’un mandrin creux destiné à former un réservoir pouvant par exemple recevoir du fluide sous pression, tel que notamment de l’hydrogène gazeux. Le présent document concerne également une installation d’enroulement filamentaire.
L’enroulement filamentaire est un procédé de mise en œuvre par moulage de matériaux composites sous forme de pièces possédant un axe de révolution (cylindre, cône, etc.). Ce procédé est adapté aux productions massives et est utilisé principalement pour fabriquer des pièces soumises à de fortes contraintes mécaniques (réservoirs, tuyaux, etc.).
La représente une installation 10 d’enroulement filamentaire, selon la technique connue, comprenant un mandrin 12 monté en rotation sur un bâti 14 et autour d’un axe longitudinal A sensiblement horizontal. L’installation 10 comprend un dévidoir 16 mobile en translation le long de l’axe longitudinal A et portant une pluralité de bobines 18 s’étendant sensiblement perpendiculairement à un panneau du dévidoir et sensiblement horizontalement. Chaque bobine 18 comprend une mèche 20, lesquelles sont rassemblées de manière jointive les unes à côté des autres au niveau d’une tête 22 de dépose de manière à former une nappe. La tête 22 de dépose est solidaire du dévidoir 16 par l’intermédiaire d’un chariot mobile 24 en translation le long de l’axe longitudinal A.
Dans certaines configurations (non représentées), la tête de dépose peut également se déplacer dans une direction transverse à l’axe du mandrin, tourner autour dudit axe transverse, pivoter autour de l’axe longitudinal, voire se déplacer sur l’axe vertical.
En préalable à la mise en route de l’installation d’enroulement filamentaire, la nappe est attachée au mandrin. Des tensionneurs du dévidoir sont activés pour mettre les fibres sous tension, limiter l’embuvage et compacter au mieux les couches successives déposées. Une couche est définie par un enroulement permettant de déposer la nappe sur l’ensemble de la surface du mandrin que l’on souhaite recouvrir. Il est possible de créer une couche de type hélicoïdal avec la nappe qui est déposée en constituant des hélices afin de recouvrir l’ensemble de la surface du cylindre et les zones souhaitées dans les fonds hémisphériques. Il est possible de faire une couche de type circonférentielle où la nappe est déposée quasi transversalement à l’axe du mandrin sur la totalité ou sur une partie de la zone cylindrique du mandrin.
La structuration par enroulement filamentaire permet d’empiler une succession de couches hélicoïdales et ou circonférentielles afin d’atteindre les performances mécaniques désirées de l’objet. En général, la machine est pilotée par une commande numérique. Cette commande numérique est souvent programmée par un opérateur utilisant des logiciels dédiés à l’enroulement filamentaire.
On connait des machines de dépose contact qui permettent la dépose de rubans de faible longueur sans risque de vrillage. Cependant, ces machines ne permettent pas une dépose et un maintien de fibre longue continue sous tension ou contrainte mécanique axiale dans le sens de la fibre qui soit imposée et régulée.
Les procédés connus de ce type sont l’ATL pour Automated Tape Layer et l’AFP pour Automated Fiber Placement.
Le procédé ATL utilise des rubans de grande largeur (généralement de 100 à 300 mm). Cette technique permet la dépose sur des surfaces à faible rayon de courbure et de grande dimension de type voilure d’avion civil. Le procédé AFP réalise une juxtaposition de ruban de moins de 10 mm de largeur et un assemblage en sortie de tête allant jusqu’à 32 rubans.
Les principales applications sont la réalisation de pièces planes ou à grand rayon de courbure. L’idée principale est de remplacer la main de l’homme pour la dépose de plis successifs avec des orientations de fibre définies.
Tous les systèmes actuels utilisent des rubans préimprégnés calibrés (fibre/résine) avec un film de séparation entre les couches sur la bobine de stockage. Ces rubans calibrés sont issus de nappes préimprégnées unidirectionnelles redécoupées avec le risque de découpe partielle du renfort sur les bords. Les coûts matière sont ici importants et il est nécessaire d’avoir un système d’enroulement du film de séparation lors des opérations de drapage.
Il n’est pas possible d’appliquer une tension continue (ou contrainte) en traction (dans le sens de la fibre) sur les mèches puisque le ou les mèches constituant la nappe sont coupées à chaque extrémité de la pièce réalisée.
A ce jour les développements successifs dans le domaine de la mise en œuvre des matériaux composites sont poussés par les besoins importants exprimés dans les secteurs de l’automobile et de l’aéronautique. Le développement des technologies de stockage de l’hydrogène (par exemple à 700 bar de pression de service) avec l’augmentation de la capacité gravimétrique (c’est-à-dire le rapport entre la quantité d’hydrogène stockée et la masse du conteneur), pousse aux limites d’utilisation les matériaux composites.
Les procédés classiques d’enroulement filamentaire, (machines dédiées), et ceux plus robotisé (machines versatiles) n’ont jamais pris en compte la totalité de l’impact du procédé dans la perte de performance. Dans la plupart des cas le support des bobines se trouve éloigné de la tête de dépose et les mèches passent par un nombre important de renvois et de galets avant d’arriver à la tête de dépose. Chaque changement de direction et ou de rotation entraine par frottement avec les parois du galet, la possibilité de vrillage ou de pliage de la mèche sur elle-même. Cette vrille (twist en anglais) est une source importante de perte de performance du matériau du fait de la détérioration et ou de la rupture prématurée de certains filaments constitutifs d’une mèche. De plus la modification de la géométrie est propice lorsque l’on stratifie plusieurs couches à l’apparition de porosités ou de surplus locaux de matrice et ou de fibre de renforcement.
Les machines de dépose contact sont les seules à apporter une réponse partielle à ce problème technique.. Le niveau de mise en tension est nul ou très faible (a contrario de la technique d’enroulement filamentaire) car l’application par contact ne permet pas la mise en précontrainte (sous tension) du matériau.
Résumé
Le présent document propose ainsi un dispositif de dévidement d’au moins une mèche d’une bobine comprenant :
  • un bâti fixe ;
  • un plateau portant au moins un porte-bobine s’étendant selon un axe sensiblement perpendiculaire au plateau et destiné à recevoir une bobine apte à tourner autour dudit axe du porte-bobine ;
  • une tête de dépose de ladite au moins une mèche de ladite bobine, la tête de dépose étant portée par le plateau et s’étendant selon un axe parallèle à l’axe dudit porte-bobine et dans un sens opposé audit porte-bobine ;
  • un orifice formé au travers du plateau et traversé par l’axe de la tête de dépose de manière à permettre le passage de ladite au moins une mèche d’une bobine vers la tête de dépose ;
  • et dans lequel le plateau est rotatif autour de l’axe de la tête de dépose sur le bâti.
Selon la présente configuration, la tête de dépose est rendue solidaire en rotation d’un plateau de support de la ou des bobines. La mèche de chaque bobine est ainsi figée dans le repère du plateau et de la tête de dépose de sorte que les risques de vrilles de la mèche depuis sa sortie de la bobine jusqu’ à la tête de dépose sont fortement limités.
La rotation simultanée du plateau de support de la ou des bobines et de la tête de dépose fige le positionnement de la nappe, c’est-à-dire de l’ensemble des mèches en sortie de la tête de dépose, par exemple au niveau de galets de libération, quelle que soit la position angulaire de la tête de dépose. Il est possible d’appliquer une précontrainte axiale dans le sens des fibres, c’est-à-dire une tension axiale, qui peut être de plusieurs Newton. Cela conduit donc à limiter drastiquement l’apparition de vrilles, de frottement avec les parois du galet, de vrillage ou de pliage de la mèche ou de chacune des mèches sur elle-même.
Il est ainsi possible de conserver l’utilisation d’une bobine commerciale standard sans film séparateur entre les couches qui est moins onéreuse qu’une nappe calibrée.
Par ailleurs, cette combinaison permet de réaliser un bon centrage de chaque mèche en direction de la tête de dépose et réduit les vrilles du fait de l'agencement de la bobine, de la présence d'un galet (couplé à cette bobine orientée de cette manière) et de la rotation du support.
De préférence, la tête de dépose comprend un système de guidage pour la dépose sans contact, par exemple par enroulement filamentaire, d’une ou plusieurs mèches sur un objet, ledit système de guidage comprenant par exemple un œillet ou un ensemble de galets et/ou rouleaux.
Selon une autre caractéristique, chaque porte-bobine coopère avec une tige de renvoi et un galet de renvoi, la tige de renvoi s’étendant selon un axe sensiblement perpendiculaire au plateau et étant positionnée de manière à ce qu’un plan tangent à la tige intercepte une piste dudit galet de renvoi lequel présente un axe de rotation sensiblement perpendiculaire à l’axe de rotation du porte-bobine.
De cette manière, la mèche qui sort de la tige de renvoi vient directement se loger sur une piste du galet de renvoi, la mèche étant ensuite renvoyée par ledit galet de renvoi au travers de l’orifice du plateau vers la tête de dépose.
Préférentiellement, ledit plan tangent est sensiblement perpendiculaire à l’axe de rotation du galet de renvoi.
La tige de renvoi peut être positionnée de manière à ce qu’en fonctionnement une première partie de mèche s’étende entre la bobine montée sur ledit porte-bobine et la tige de renvoi et une seconde partie de mèche s’étende entre la tige de renvoi et le galet de renvoi, la première partie de mèche et la seconde partie de mèche formant un angle inférieur à 90°, de préférence inférieur à 45°.
Cet agencement permet de garantir une bonne tension de la mèche de la bobine et permet de limiter encore davantage la formation de vrille.
Chaque tige de renvoi peut être montée en rotation autour de son axe sur le plateau.
Le ou les galets peuvent être agencés en vis-à-vis de l’orifice du plateau. Le ou les galets peuvent être portés par un seul et même support en saillie relativement au plateau et porté par celui-ci.
Le plateau porte N porte-bobines, N étant compris entre 1 et 4. Dans une configuration particulière, le plateau comprend 4 portes-bobines.
Les portes-bobines peuvent être agencés autour de l’orifice du plateau.
Chaque porte-bobine peut être monté en rotation sur le plateau et couplé à un système de mise en tension de la mèche de la bobine lorsque la bobine est monté serrée sur le porte-bobine.
Le présent document concerne encore une installation d’enroulement d’au moins une mèche d’une bobine, l’installation comprenant un dispositif tel que décrit ci-dessus et un robot de déplacement d’un objet destiné à être recouvert en tout ou partie par ladite au moins une mèche de la bobine.
Les caractéristiques exposées dans les paragraphes suivants peuvent, optionnellement, être mises en œuvre, indépendamment les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres :
D’autres caractéristiques, détails et avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l’analyse des dessins annexés, sur lesquels :
  1. la , déjà décrite précédemment, est une vue schématique en perspective d’une installation d’enroulement filamentaire selon la technique antérieure ;
  2. la est une vue schématique en perspective d’une installation d’enroulement filamentaire selon le présent document ;
  3. la est une vue schématique du plateau de support de bobines depuis une première face, une bobine étant montée sur le plateau ;
  4. la comprend une partie A nommée figure 4A et une partie B nommée figure 4B, représentant deux orientations d’un pied de support et d’entrainement en rotation du plateau ;
  5. la est une vue analogue à celle de la , dépourvu de bobine montée sur le plateau.

Claims (10)

  1. Dispositif (36) de dévidement d’au moins une mèche (M) d’une bobine (38) comprenant :
    • un bâti (40) fixe ;
    • un plateau (42) portant au moins un porte-bobine (56) s’étendant selon un axe (B) sensiblement perpendiculaire au plateau (42) et destiné à recevoir une bobine (38) apte à tourner autour dudit axe du porte-bobine (56) ;
    • une tête (44) de dépose de ladite au moins une mèche (M) de ladite bobine (38), la tête (44) de dépose étant portée par le plateau (42) et s’étendant selon un axe parallèle à l’axe (B) dudit porte-bobine (56) et dans un sens opposé audit porte-bobine (56) ;
    • un orifice formé au travers du plateau (42) et traversé par l’axe de la tête (44) de dépose de manière à permettre le passage de ladite au moins une mèche (M) d’une bobine (38) vers la tête (44) de dépose ;
    • et dans lequel le plateau (42) est rotatif autour de l’axe (F) de la tête (44) de dépose sur le bâti.
  2. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel chaque porte-bobine (56) coopère avec une tige (62) de renvoi et un galet (64) de renvoi, la tige (62) de renvoi s’étendant selon un axe (C) sensiblement perpendiculaire au plateau (42) et étant positionnée de manière à ce qu’un plan tangent à la tige (62) intercepte une piste dudit galet (64) de renvoi lequel présente un axe de rotation sensiblement perpendiculaire à l’axe (B) de rotation du porte-bobine (56).
  3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel ledit plan tangent est sensiblement perpendiculaire à l’axe de rotation du galet (64) de renvoi.
  4. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, dans lequel la tige (62) de renvoi est positionnée de manière à ce qu’en fonctionnement une première partie de mèche (M1) s’étende entre la bobine (38) montée sur ledit porte-bobine (56) et la tige (62) de renvoi et une seconde partie (M2) de mèche s’étende entre la tige (62) de renvoi et le galet (64) de renvoi, la première partie (M1) de mèche et la seconde partie (M2) de mèche formant un angle inférieur à 90°, de préférence inférieur à 45°.
  5. Dispositif selon l’une des revendications 2 à 4, dans lequel chaque tige (62) de renvoi est montée en rotation autour de son axe (C) sur le plateau (42).
  6. Dispositif selon l’une des revendications 2 à 5, dans lequel le ou les galets (64) sont agencés en vis-à-vis de l’orifice du plateau (42).
  7. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le plateau porte N porte-bobines (56), N étant compris entre 1 et 4.
  8. Dispositif selon la revendication 7, dans lequel les portes-bobines (56) sont agencés autour de l’orifice (67) du plateau (42).
  9. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel chaque porte-bobine (56) est monté en rotation sur le plateau (42) et couplé à un système de mise en tension de la mèche (M) de la bobine (38) lorsque la bobine (38) est montée serrée sur le porte-bobine (56).
  10. Installation d’enroulement d’au moins une mèche (M) d’une bobine (38), l’installation comprenant un dispositif selon l’une des revendications précédentes et un robot de déplacement d’un objet destiné à être recouvert en tout ou partie par ladite au moins une mèche (M) de la bobine (38).
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CN105415707A (zh) * 2015-11-06 2016-03-23 哈尔滨工业大学 一种铺放头和纱架一体化复合材料铺放装置

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