FR3166152A3 - Rouleau de calandrage pour la formation d’une électrode et son procédé de fabrication - Google Patents

Rouleau de calandrage pour la formation d’une électrode et son procédé de fabrication

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FR3166152A3 FR2409711A FR2409711A FR3166152A3 FR 3166152 A3 FR3166152 A3 FR 3166152A3 FR 2409711 A FR2409711 A FR 2409711A FR 2409711 A FR2409711 A FR 2409711A FR 3166152 A3 FR3166152 A3 FR 3166152A3
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Vincent Bouchard
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Abstract

Rouleau de calandrage pour la formation d’une électrode et son procédé de fabrication L’invention concerne un rouleau de calandrage (10) pour la formation d’une électrode caractérisé en ce qu’il comprend : un corps principal de rouleau (11) en matériau composite, de forme cylindrique, s’étendant suivant un axe longitudinal de référence (X) ; une couche en matériau(x) métallique(s) (14) enveloppant une surface externe dudit corps principal (11) ; un arbre d’entraînement de rouleau (12) solidaire du corps principal (11) et coaxial par rapport à l’axe longitudinal de référence (X), ledit arbre d’entraînement de rouleau (12) étant apte à mettre en mouvement rotatif le corps principal (11) autour de l’axe central du corps principal de rouleau (11), et un moyen de chauffe par induction (15) présentant au moins une tête de travail lié corps principal (11) et s’étendant au moins en partie autour de l’axe central du corps principal (11). Figure pour l’abrégé : Figure 1

Description

Rouleau de calandrage pour la formation d’une électrode et son procédé de fabrication
La présente invention concerne un rouleau de calandrage pouvant être utilisé dans tout genre d’industrie comme l’industrie du papier ou l’industrie automobile.
A cet effet, l’invention concerne plus particulièrement un rouleau de calandrage pour la formation d’une électrode pour cellule de batterie électrique, un dispositif de fabrication d’une électrode comprenant un rouleau de calandrage ainsi qu’un procédé de fabrication d’un tel rouleau de calandrage.
L’invention s’applique tant aux électrodes formées par voie sèche, c’est-à-dire sans utilisation de solvant, que par voie humide, c’est-à-dire avec utilisation d’un solvant.
La formation d’une électrode par voie sèche ou par voie humide comprend notamment au moins une étape de calandrage d’un matériau actif d’électrodes entre au moins deux rouleaux cylindriques. Une des dernières étapes de formation d’une électrode par voie sèche étant le laminage du matériau actif calandré sur un support, généralement une feuille en aluminium ou en cuivre.
Il est notamment connu de l’état de la technique un dispositif de préparation d’une électrode comprenant deux rouleaux de calandrage entre lesquels le matériau à calandrer vient se déplacer.
Les rouleaux de calandrage de l’art antérieur sont réalisés intégralement en matériau métallique.
Cependant, de tels rouleaux présentent des problèmes de rigidité, entraînant une déformation des rouleaux lors de leurs fonctionnement, ceci affectant le dimensionnel et la qualité des électrodes, par exemple une différence d’épaisseur et/ou de porosité.
En outre, ces rouleaux présentent un diamètre élevé et sont donc encombrants dans des usines de production de cellules de batteries électriques. De plus, ces grandes dimensions entraînent des modifications par rapport aux plus petites échelles de mise au point, en particulier concernant le développement des procédés.
Ces grandes dimensions ont également un impact négatif sur la pression de contact entre le matériau d’électrode et le rouleau, augmentant ainsi le risque d’incrustation du matériau d’électrode dans la surface externe du rouleau en contact avec la matière, mais aussi l’usure des rouleaux de calandrage.
Il est également connu de l’état de la technique de chauffer un tel rouleau de calandrage par des moyens tel qu’un fluide traversant le rouleau ou encore par des moyens électriques à cartouches disposés à l’intérieur d’un tel rouleau.
Cependant, ces moyens de chauffe de rouleaux de calandrage pour la formation d’une électrode connus de l’art antérieur ne présentent pas l’efficacité demandée. En effet, le rouleau métallique est chauffé en intégralité au détriment de la surface du rouleau en contact avec le matériau d’électrode à calandrer.
La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients de l’art antérieur en proposant un rouleau de calandrage présentant une meilleure rigidité tout en chauffant efficacement la zone destinée à être en contact avec le matériau d’électrode.
À cet effet, l’invention a pour objet un rouleau de calandrage pour la formation d’une électrode caractérisé en ce qu’il comprend :
  • un corps principal de rouleau en matériau composite, de forme cylindrique, s’étendant suivant un axe longitudinal de référence,
  • une couche en matériau(x) métallique(s) enveloppant une surface externe dudit corps principal,
  • un arbre d’entraînement de rouleau solidaire du corps principal et coaxial par rapport à l’axe longitudinal de référence, ledit arbre d’entraînement de rouleau étant apte à mettre en mouvement rotatif le corps principal autour de l’axe central du corps principal de rouleau, et
  • un moyen de chauffe par induction lié au corps principal et s’étendant au moins en partie autour de l’axe central du corps principal.
Selon un mode de réalisation, le moyen de chauffe par induction est disposé coaxialement par rapport à l’axe longitudinal de référence, radialement entre l’arbre d’entraînement de rouleau et la couche en matériau métallique.
Selon un mode de réalisation, le corps principal de rouleau comprend une première couche intérieure en matériau composite, le moyen de chauffe par induction étant disposé autour de la première couche intérieure en matériau composite, et une deuxième couche en matériau composite disposée autour de la première couche intérieure et coaxialement par rapport à ladite première couche intérieure, le moyen de chauffe par induction étant disposé de préférence entre la première couche et la deuxième couche, la couche en matériau métallique enveloppant une surface externe de la deuxième couche en matériau composite du corps principal de rouleau.
Selon un mode de réalisation, la première couche en matériau composite comprend :
  • des fibres telles que des fibres de carbone, des fibres de verre, des fibres de silice, des fibres de quartz, des fibres de polymères, des fibres de bore, des fibres d’acier, des fibres de céramique ou des fibres d’aramide et une résine telle qu’une résine époxy, une résine polyester, une résine phénolique ou une résine céramique, la deuxième couche en matériau composite comprend des fibres telles que des fibres de carbone, des fibres de graphite ou des fibres métalliques tel que l’acier, l’acier inoxydable, le titane ou le laiton ; et/ou
  • une résine telle qu’une résine époxy, une résine polyester, une résine phénolique ou une résine céramique, et/ou
  • la couche en matériau métallique est en acier.
Selon un mode de réalisation, la deuxième couche en matériau composite du corps principal présente une épaisseur, prise radialement par rapport à l’axe longitudinal de référence, supérieure à une épaisseur prise, radialement par rapport à l’axe longitudinal de référence, de la première couche en matériau composite du corps principal.
Selon un mode de réalisation, le moyen de chauffe par induction comprend une tête de travail telle qu’une bobine noyée dans un substrat solide cylindrique solidaire du corps principal de rouleau et configuré pour isoler électriquement la bobine de la première couche en matériau composite et de la deuxième couche en matériau composite, le moyen de chauffe étant configuré de sorte que la bobine chauffe la couche en matériau métallique et la deuxième couche en matériau composite lorsque la bobine est dans un état électromagnétique actif de fonctionnement.
Selon un mode de réalisation, le substrat comprend, de préférence est constitué par, une résine et/ou la bobine comprend du cuivre et/ou de l’acier, de préférence est constituée en cuivre ou en acier.
Selon un mode de réalisation, la couche en matériau métallique comprend un revêtement en chrome ou en carbure de tungstène.
Selon un autre aspect, l’invention concerne également un dispositif de préparation d’une électrode dans lequel le dispositif comprend au moins un, de préférence deux, rouleaux de calandrage tels que décrits ci-avant.
L’invention se rapporte en outre à un procédé de fabrication d’un rouleau de calandrage tel que décrit ci-dessus, comprenant au moins les étapes suivantes :
  • formation du corps principal de rouleau équipé du moyen de chauffe par induction et solidaire de l’arbre d’entraînement de rouleau, et
  • application d’une couche en matériau métallique sur la deuxième couche de matériau composite.
Selon un mode de réalisation, l’étape de formation du corps principal de rouleau équipé du moyen de chauffe par induction et solidaire de l’arbre d’entraînement de rouleau comprend au moins les étapes suivantes :
  • enroulement d’un mélange de fibres et d’une résine autour de l’arbre d’entraînement de rouleau, formant une première couche de matériau composite solidaire de l’arbre d’entraînement de rouleau,
  • disposition du moyen de chauffe par induction, de préférence de la tête de travail comprenant la bobine noyée dans un substrat solide, autour de la première couche en matériau composite,
  • enroulement d’un mélange de fibres et d’une autour du moyen de chauffe par induction, formant une deuxième couche de matériau composite, et
  • application d’une couche en matériau métallique sur la deuxième couche de matériau composite.
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif et faite en se référant aux dessins sur lesquels :
  • FIG. 1laFIG. 1est une vue en perspective d’un rouleau de calandrage selon un mode de réalisation de l’invention ;
  • FIG. 2laFIG. 2est une vue en coupe du rouleau de calandrage de laFIG. 1;
  • FIG. 3laFIG. 3est une vue partielle agrandie d’un moyen de chauffe du rouleau de calandrage de laFIG. 2; et
  • FIG. 4 FIG. 5 FIG. 6 FIG. 7 FIG. 8les figures 4, 5, 6, 7 et 8 sont des vues schématiques, en perspective, d’étapes du procédé de fabrication du rouleau de calandrage de laFIG. 1, selon un mode de réalisation de l’invention ;
  • FIG. 9laFIG. 9est une vue partielle de côté du dispositif de préparation d’une électrode selon un mode de réalisation de l’invention.
Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de référence identiques sur l’ensemble des figures.
LaFIG. 1représente un rouleau de calandrage 10 pour la formation d’un film de matière active et d’une électrode selon un mode de réalisation de l’invention.
Le rouleau de calandrage 10 comporte un corps principal de rouleau 11. Ce corps principal 11 est de forme cylindrique s’étendant suivant un axe longitudinal de référence X et s’étend autour d’un axe central parallèle à la direction longitudinale X d’élongation du corps principal 11.
Le corps principal de rouleau 11 est réalisé en matériau composite. De façon générale, le matériau composite comprend au moins un renfort, de préférence composé de fibres, noyé dans au moins une matrice telle qu’une résine.
Un arbre d’entraînement de rouleau 12 traverse l’axe central du corps principal de rouleau 11 selon la direction longitudinale X. En d’autres termes, le corps principal entoure localement et de façon coaxiale l’arbre d’entraînement 12.
L’arbre d’entraînement de rouleau 12 peut être réalisé, de préférence est réalisé en matériau composite comprenant des renforts, par exemple, en fibres de carbone, en fibres de verre, en fibres de silice, en fibres de quartz, en fibres de polymères, en fibres de bore, en fibres d’acier, en fibres de céramique et/ou en fibres d’aramide, les renforts étant noyé dans une matrice telle qu’une résine, par exemple une résine époxy, une résine polyester, une résine phénolique ou une résine céramique.
Préférentiellement, l’arbre d’entraînement est réalisé en fibres d’aramide avec une résine époxy.
Dans un mode de réalisation non représenté, l’arbre d’entraînement de rouleau 12 présente un corps creux.
L’arbre d’entraînement de rouleau 12 comprend deux extrémités 13A et 13B comprenant des bagues de roulements pour former des paliers.
Ces bagues de roulements sont réalisées en matériau métallique.
Une couche en matériau métallique 14 recouvre le corps principal de rouleau 11 en l’entourant coaxialement par rapport à l’axe de référence X.
La couche en matériau métallique 14 est un acier et préférentiellement un acier durci.
La couche en matériau métallique 14 présente une épaisseur supérieure ou égale à 1 mm, de préférence supérieure ou égale à 3 mm et/ou inférieure ou égale à 30 mm, de préférence inférieure ou égale à 10 mm.
Un revêtement est appliqué sur la couche en matériau métallique 14.
De préférence le revêtement est en chrome dur ou en carbure de tungstène.
Un moyen de chauffe 15 est disposé autour de l’axe central du corps principal de rouleau 11 et s’étend dans la direction longitudinale X.
Plus précisément, le moyen de chauffe 15 est situé à l’intérieur du corps principal de rouleau 11.
Le moyen de chauffe 15 est de forme sensiblement cylindrique.
Le moyen de chauffe 15 est un moyen de chauffe par induction électromagnétique.
Le moyen de chauffe présente une épaisseur comprise entre 1% et 10% de la longueur totale radiale du rouleau 10.
LaFIG. 2montre le moyen de chauffe 15 s’étendant à travers le corps principal de rouleau 11 selon la direction longitudinale X et autour de l’axe central du corps principal de rouleau 11.
En référence aux figures 2 et 3, le corps principal de rouleau 11 comprend une première couche en matériau composite 21 et une deuxième couche en matériau composite 22.
La première couche en matériau composite 21 est située autour de l’arbre d’entraînement de rouleau 12 de sorte à l’envelopper localement.
La première couche en matériau composite 21 peut être réalisée avec un renfort en fibres de carbone, en fibres de verre, en fibres de silice, en fibres de quartz, en fibres de polymères, en fibres de bore, en fibres d’acier, en fibres de céramique ou en fibres d’aramide, avec une matrice choisie parmi une résine époxy, une résine polyester, une résine phénolique ou une résine céramique.
Cette première couche en matériau composite 21 est préférentiellement composée de fibres à haut module d’élasticité et peu enclin à être chauffée par induction, telle que de l’aramide avec de la résine époxy.
Cette première couche présente une épaisseur comprise entre 5% et 80% de la longueur totale radiale du rouleau.
Le moyen de chauffe 15 est disposé autour de la première couche en matériau composite 21 de façon coaxiale.
Autrement dit, le moyen de chauffe 15 recouvre au moins en partie la première couche en matériau composite 21.
La deuxième couche en matériau composite 22 est disposée autour du moyen de chauffe 15 de façon coaxiale.
Autrement dit, la deuxième couche en matériau composite 22 recouvre le moyen de chauffe 15.
On obtient ainsi un moyen de chauffe 15 présentant la forme d’un cylindre interposé radialement entre la première couche en matériau composite 21 et la deuxième couche en matériau composite 22, ces trois couches étant coaxiales et solidaires deux à deux.
La deuxième couche en matériau composite 22 peut être réalisée avec un renfort en fibres carbone, en fibres graphite, en fibres métalliques tel que l’acier, l’acier inoxydable, le titane ou le laiton, avec une matrice choisie parmi une résine polyester, une résine phénolique ou une résine céramique.
Cette deuxième couche en matériau composite 22 est préférentiellement composée de fibres à haut module élastique et très enclin à être chauffée par induction, telle que du carbone avec de la résine époxy.
Cette couche présente une épaisseur comprise entre 5% et 80% de la longueur totale radiale du rouleau 10.
Dans un mode de réalisation préféré de l’invention, la deuxième couche en matériau composite 22 présente une épaisseur supérieure à la première couche en matériau composite 21. Cette différence d’épaisseur entre ces deux couches améliore la rigidité du rouleau de calandrage 10.
Comme le montre notamment laFIG. 3, le moyen de chauffe 15 comprend un substrat 23 configuré pour assurer la transmission des contraintes mécaniques entre la première couche en matériau composite 21 et la deuxième couche en matériau composite 22 du corps principal de rouleau 11.
Le substrat 23, préférentiellement composé d’une résine époxy, correspond à l’épaisseur du moyen de chauffe 15.
Une tête de travail telle qu’une bobine 24 est noyé dans le substrat 23 et disposée à travers le substrat 23 et est configurée pour chauffer la deuxième couche en matériau composite 22 et la couche en matériau métallique 14. Le moyen de chauffe est ainsi relié par un circuit électrique, en particulier par des fils électriques connectés à des extrémités opposées axialement de la tête de travail, c’est-à-dire de la bobine 24. Le circuit électrique est quant à lui connecté à une source d’énergie électrique.
Le substrat 23 est également configuré pour isoler électriquement des spires 25 de la bobine 24. Des portions de fils de connexion de la bobine 24 passent chacun à travers le matériau de l’arbre d’entraînement 12 sur des portions axiales selon la direction longitudinale X de part et d’autre axialement du corps principal de rouleau 11, puis s’étendent chacun radialement c’est-à-dire dans une direction d’élévation Z, perpendiculaire à la direction longitudinale X avant d’être reliée à une extrémité de la bobine s’étendant à travers le corps principal de rouleau 11 selon la direction longitudinale X et autour de l’axe central du corps principal de rouleau 11. De préférence les portions au moins de fils de connexion à la bobine 24 sont formés par des prolongements des spires de la bobine 24.
Cette bobine 24, associée à sa forme hélicoïdale, est préférentiellement composée de cuivre, et est configurée de façon à générer efficacement un champ électro-magnétique et à chauffer par induction électromagnétique les matériaux de la deuxième couche en matériau composite 22 et de la couche en matériau métallique 14.
Suivant les contraintes mécaniques en jeu au sein du rouleau, cette bobine 24 peut être dans des matériaux plus résistants tels que l’acier.
Un procédé de fabrication préféré du rouleau de calandrage 10 va à présent être décrit en référence aux figures 4 à 8.
Une première étape consiste à former le corps principal de rouleau 11 équipé du moyen de chauffe par induction 15 et solidaire de l’arbre d’entraînement de rouleau 12.
Dans un premier temps, une étape consiste à enrouler le mélange renfort/matrice, ici composé de fibres aramide et de résine époxy, autour d’un mandrin 26.
Préférentiellement, les fibres d’aramide sont orientées selon la direction longitudinale X.
Cet enroulement est réalisé par un procédé bien connu appelé communément méthode d’enroulement de fibre humide, comme illustré sur laFIG. 4. La résine est polymérisée par les différents procédés connus de l’état de l’art, par exemple par la température ambiante, une étuve, ou un autoclave.
Optionnellement, des polymérisations et des usinages intermédiaires sont réalisés afin d’obtenir la qualité souhaitée en termes de polymérisation et de dimensionnel. Un usinage final de l’enveloppe externe est réalisé.
Cette première étape permet d’obtenir l’arbre d’entraînement de rouleau 12.
Préférentiellement, le mandrin 26 est retiré une fois que l’arbre d’entraînement de rouleau 12 est formé.
Ainsi, l’arbre d’entraînement présente un corps creux et permet ainsi le passage des spires 25 de la bobine 24 pour son enroulement, comme décrit dans la troisième étape de ce procédé.
Dans un autre mode de réalisation, le mandrin 26 est retiré une fois que la première couche en matériau composite 21 est formée, avant la réalisation du moyen de chauffe 15.
De façon similaire, une seconde étape consiste à enrouler le mélange renfort/matrice associé, ici composé de fibres d’aramide et de résine époxy, autour de l’arbre d’entraînement de rouleau 12, de sorte à former la première couche en matériau composite 21.
Les fibres d’aramide et la résine époxy sont enroulées autour de l’arbre d’entraînement de rouleau 12 jusqu’à obtenir une épaisseur de la première couche en matériau composite 21 comprise entre 5% et 80% de la longueur radiale du rouleau.
Préférentiellement, les fibres d’aramide sont orientées selon la direction longitudinale X d’élongation de corps de rouleau 11.
Cet enroulement est également réalisé par la méthode d’enroulement de fibre humide.
La résine est également polymérisée par les différents procédés connus de l’état de l’art, par exemple par la température ambiante, une étuve ou un autoclave. Optionnellement, des polymérisations et des usinages intermédiaires sont réalisés afin d’obtenir la qualité souhaitée en termes de polymérisation et de dimensionnel.
Une étape intermédiaire consiste à appliquer les deux extrémités rapportées 13A et 13B autour de l’arbre d’entraînement 12.
Afin d’être appliquée par frettage, les deux extrémités 13A et 13B rapportées sont chauffées, insérées autour de portions d’extrémités axiales de l’arbre d’entraînement 12, et refroidies. La température de chauffe lors du frettage doit être significativement supérieure à la température de fonctionnement du rouleau, afin d’assurer la tenue des extrémités 13A et 13B rapportées sur l’arbre d’entraînement 12 lors du fonctionnement du rouleau de calandrage 10.
Cette étape intermédiaire peut être réalisée plus tard, après les étapes suivantes qui sont décrites.
Une troisième étape consiste à disposer le moyen de chauffe 15 par induction autour de la première couche en matériau composite 21. Sur laFIG. 6, seule la bobine 24 est représentée. La bobine 24 du moyen de chauffe 15 est enrobée dans le substrat 23 qui est disposé par injection, de façon à garantir l’espacement entre les spires 25 du moyen de chauffe 15 et l’absence de vides entre les spires 25 et la première couche en matériau composite 21. Ce substrat 23 est préférentiellement la même résine époxy que celle de la première couche en matériau composite 21.
Un moule peut être utilisé lors de cette injection.
Une quatrième étape consiste à enrouler un autre mélange renfort/matrice associé, ici composé de fibres de carbone et de résine époxy autour du moyen de chauffe 15 pour former la deuxième couche en matériau composite 22.
Cet enroulement est également réalisé par la méthode d’enroulement de fibre humide.
La résine est également polymérisée par les différents procédés connus de l’état de l’art, par exemple par la température ambiante, une étuve ou un autoclave.
Optionnellement, des polymérisations et des usinages intermédiaires sont réalisés afin d’obtenir la qualité souhaitée en termes de polymérisation et de dimensionnel.
Cette quatrième étape permet d’obtenir la deuxième couche en matériau composite 22 du corps principal de rouleau 11, comme illustré sur laFIG. 7.
Les fibres de carbone et la résine époxy sont enroulées autour du moyen de chauffe 15 jusqu’à obtenir une épaisseur de la deuxième couche en matériau composite 22 comprise entre 5% et 80% de la longueur totale radiale du rouleau.
Préférentiellement, les fibres de carbone sont orientées selon la direction longitudinale X d’élongation de corps de rouleau 11.
Optionnellement, un usinage final est réalisé sur la surface extérieure de la deuxième couche en matériau composite 22.
La dernière étape consiste à appliquer la couche en matériau métallique 14 autour de la deuxième couche en matériau composite 22, comme illustré sur laFIG. 8.
Afin d’être appliquée par frettage, la couche en matériau métallique 14 est chauffée, insérée autour de la deuxième couche en matériau composite 22, et refroidie. La température de chauffe lors du frettage doit être significativement supérieure à la température de fonctionnement du rouleau, afin d’assurer la tenue de la couche en matériau métallique 14 sur la deuxième couche en matériau composite 22 lors du fonctionnement du rouleau.
Bien entendu, les autres matériaux possibles, décrit précédemment, pour la première couche en matériau composite 21, la deuxième couche en matériau composite 22 et l’arbre d’entraînement de rouleau 12, sont également applicables pour ce procédé de fabrication du rouleau de calandrage 10.
LaFIG. 9représente une partie d’un dispositif 100 de préparation d'une électrode par voie sèche.
Le dispositif 100 tel qu’illustré montre une pluralité de rouleaux de calandrage 10 adjacents l’un à l’autre et alignés selon un axe transversal Y perpendiculaire à la direction longitudinale X.
Dans le mode de réalisation illustré sur cette figure, le dispositif 100 est composé de six rouleaux de calandrage 10.
Dans un autre mode de réalisation de l’invention, le dispositif 100 comprend au moins un, de préférence deux rouleaux de calandrage 10.
Un matériau d’électrode 30, ici une poudre de matières active mixée, est présente entre deux rouleaux de calandrage 10 adjacents.
Plus précisément, la poudre est présente entre un premier rouleau de calandrage 10A et un deuxième rouleau de calandrage 10B.
La poudre prend la forme d’un film d’électrode en passant à travers le premier jeu formé par le rouleau de calandrage 10A et le deuxième rouleau de calandrage 10B puis à travers le deuxième jeu formé par le rouleau de calandrage 10B et un troisième rouleau de calandrage 10C, et ce jusqu’à un sixième rouleau de calandrage 10F.
Le cinquième et le sixième rouleau de calandrage 10E et 10F du dispositif 100 constituent également des rouleaux de lamination du film d’électrode sur un support 40, par exemple en cuivre ou en aluminium, formant une électrode.
Dans la description qui va suivre, le fonctionnement du rouleau de calandrage 10 selon l’invention ainsi que le dispositif 100 de préparation d’une électrode sont détaillés.
La fabrication d’une électrode par voie sèche, comprend une première étape de calandrage d’un matériau d’électrode 30 par le dispositif 100 entre au moins le premier rouleau de calandrage 10A et le deuxième rouleau de calandrage 10B, les rouleaux de calandrage 10 étant mis en mouvement rotatoire par l’arbre d’entraînement de rouleau 12.
Les rouleaux de calandrage 10 peuvent avoir des vitesses rotationnelles différentes afin de cisailler par friction le matériau d’électrode 30.
Ces rouleaux de calandrage 10 sont chauffés par induction par l’intermédiaire de la bobine 24 en cuivre dans laquelle circule un courant électrique alternatif.
La bobine 24 va chauffer rapidement et localement la deuxième couche en matériau composite 22 en fibres de carbone et la couche matériau métallique 14 en acier, ces matériaux étant enclins à être chauffés par induction, contrairement aux fibres d’aramide.
La chaleur accumulée par la deuxième couche en matériau composite 22 en fibres de carbone et la couche matériau métallique 14 en acier va se diffuser par conduction vers le matériau d’électrode 30, permettant ainsi de le chauffer et de former un film d’électrode.
Les matériaux en fibre d’aramide avec la résine époxy de la première couche en matériau composite 21 et de l’arbre d’entraînement de rouleau 12 sont peu enclins à être chauffés, et sont de bons isolants thermiques. C’est pourquoi la chaleur accumulée dans la deuxième couche en matériau composite 22 et la couche en matériau métallique 14 va préférentiellement se diffuser vers le matériau d’électrode 30. Le rendement énergétique est proche de 1, car l’énergie issue de l’échauffement propre de la bobine 24 lors du passage de courant alternatif va se diffuser également et préférentiellement vers la deuxième couche en matériau composite 22 en fibres de carbone et la couche matériau métallique 14 en acier, ces matériaux étant de bons conducteurs thermiques.
L’avantage par rapport à l’état de l’art, c’est-à-dire la chauffe d’un rouleau en acier par fluide ou par cartouche est que la quantité de chaleur qui est conduite et perdue vers les guidages en rotation du rouleau, par exemple des roulements ou des paliers, est significativement réduite, ce qui permet de significativement réduire la consommation énergétique de l’équipement.
Un tel rouleau de calandrage 10 avec un corps principal 11 en matériau composite présente l’avantage d’avoir une haute rigidité tout en étant léger.
Cette rigidité en flexion est obtenue en particulier avec des matériaux à haut module d’élasticité localisés dans les zones les plus éloignées du centre du rouleau, à savoir les fibres de carbone orientées suivant l’axe longitudinal X de la deuxième couche en matériau composite 22.
La masse du rouleau de calandrage 10 ainsi que son inertie de rotation sont divisées par quatre par rapport à un rouleau de calandrage de l’art antérieur en acier. En effet la densité du métal est de 7,8 tandis que celle des matériaux composites est d’environ 1,7.
Cela permet une consommation énergétique moindre pour démarrer et faire varier les vitesses angulaires des rouleaux.
Cela permet également de fortement réduire la masse totale de l’équipement de calandrage, facilitant ainsi son transport et son installation, sa maintenance, et de significativement réduire le coût de la dalle en atelier qui doit supporter la masse de l’équipement de calandrage.
De plus, cette rigidité atteinte permet de limiter le diamètre des rouleaux de calandrage 10 pour une même déflection sous charge par rapport à l’état de l’art, et ainsi réduire de façon significative et additionnelle la masse des rouleaux.
Cette réduction de diamètre permet également de faciliter le développement et la mise à l’échelle des équipements ; en effet, les augmentations de largeurs de rouleaux lors des développements pour évoluer de l’échelle laboratoire à l’échelle de production industrielle s’accompagnent généralement d’une augmentation de diamètre de ceux-ci, afin de garder une déflexion réduite du rouleau.
Or les changements de diamètre génèrent des effets indésirables et des risques pour le développement des procédés et des équipements, avec notamment des pressions de contact et des comportements du matériau d’électrode 30 qui évoluent de façons difficilement prévisibles.
En outre, les systèmes anti-flexion des rouleaux de l’art antérieur, comme les vérins générant une flexion inverse, ne sont plus nécessaires car la flexion et la déflexion du rouleau de calandrage 10 selon l’invention est divisée par deux par rapport à un rouleau de l’art antérieur en matériau métallique.
En effet, le module d’élasticité de l’acier est de 200 GPa tandis que celui du matériau composite avec fibres de carbone et résine époxy est de l’ordre de 400 GPa dans la direction longitudinale du rouleau, en considérant des fibres de carbone orientées dans la direction longitudinale du rouleau, et ce dans les zones éloignées du centre du rouleau qui contribuent majoritairement au moment quadratique du rouleau, autrement dit la rigidité en flexion.
L’inertie thermique du rouleau de calandrage selon l’invention est significativement réduite, le produit de la masse volumique et de la capacité thermique du matériau métallique est d’environ 3 700 kJ.m-3.K-1 et celui du matériau composite est de 1.800 kJ.m-3.K-1.
Enfin, le moyen de chauffe par induction 15 permet de chauffer rapidement et localement la surface extérieure métallique du rouleau de calandrage 10 qui est en contact avec le matériau d’électrode 30. La chaleur accumulée par la deuxième couche en matériau composite faite du mélange de fibres de carbone et de résine époxy et le matériau métallique 14 va se transmettre directement au matériau d’électrode 30.
En effet, la première couche en matériau composite 21 est faite du mélange de fibres aramide et de résine époxy et permet difficilement la diffusion de la chaleur générée par le moyen de chauffe par induction 15, ce qui permet de garder la chaleur accumulée au niveau de la zone fonctionnelle qui est la couche en matériau métallique 14 localisée sur la surface extérieure du rouleau de calandrage 10.
Ainsi, les matériaux utilisés permettent de chauffer très rapidement mais également de refroidir très rapidement le rouleau, car l’énergie accumulée est plus faible, entraînant donc des coûts d’exploitation réduits, des coûts de développement réduits mais aussi un coût environnemental réduit.
Naturellement, l’invention est décrite dans ce qui précède à titre d’exemple. Il est entendu que l’homme du métier est à même de réaliser différentes variantes de réalisation de l’invention sans pour autant sortir du cadre de l’invention.

Claims (10)

  1. Rouleau de calandrage (10) pour la formation d’une électrode caractérisé en ce qu’il comprend :
    - un corps principal de rouleau (11) en matériau composite, de forme cylindrique, s’étendant suivant un axe longitudinal de référence (X),
    - une couche en matériau(x) métallique(s) (14) enveloppant une surface externe dudit corps principal (11),
    - un arbre d’entraînement de rouleau (12) solidaire du corps principal (11) et coaxial par rapport à l’axe longitudinal de référence (X), ledit arbre d’entraînement de rouleau (12) étant apte à mettre en mouvement rotatif le corps principal (11) autour de l’axe central du corps principal de rouleau (11), et
    - un moyen de chauffe par induction (15) lié au corps principal (11) et s’étendant au moins en partie autour de l’axe central du corps principal (11).
  2. Rouleau de calandrage (10) selon la revendication 1, dans lequel le moyen de chauffe par induction (15) est disposé coaxialement par rapport à l’axe longitudinal de référence, radialement entre l’arbre d’entraînement de rouleau (12) et la couche en matériau métallique (14).
  3. Rouleau de calandrage (10) selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel le corps principal de rouleau (11) comprend une première couche intérieure en matériau composite (21), le moyen de chauffe par induction (15) étant disposé autour de la première couche intérieure en matériau composite (21), et une deuxième couche en matériau composite (22) disposée autour de la première couche intérieure et coaxialement par rapport à ladite première couche intérieure, le moyen de chauffe par induction (15) étant disposé de préférence entre la première couche et la deuxième couche, la couche en matériau métallique (14) enveloppant une surface externe de la deuxième couche en matériau composite (22) du corps principal de rouleau (11).
  4. Rouleau de calandrage (10) selon la revendication 3, dans lequel la première couche en matériau composite (21) comprend :
    - des fibres telles que des fibres de carbone, des fibres de verre, des fibres de silice, des fibres de quartz, des fibres de polymères, des fibres de bore, des fibres d’acier, des fibres de céramique ou des fibres d’aramide et une résine telle qu’une résine époxy, une résine polyester, une résine phénolique ou une résine céramique, la deuxième couche en matériau composite (22) comprend des fibres telles que des fibres de carbone, des fibres de graphite ou des fibres métalliques tel que l’acier, l’acier inoxydable, le titane ou le laiton ; et/ou
    - une résine telle qu’une résine époxy, une résine polyester, une résine phénolique ou une résine céramique, et/ou
    - la couche en matériau métallique (14) est en acier.
  5. Rouleau de calandrage (10) selon la revendication 3 ou 4, dans lequel la deuxième couche en matériau composite (22) du corps principal (11) présente une épaisseur, prise radialement par rapport à l’axe longitudinal de référence, supérieure à une épaisseur prise, radialement par rapport à l’axe longitudinal de référence, de la première couche en matériau composite (21) du corps principal (11).
  6. Rouleau de calandrage (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5 dépendant au moins de la revendication 3, dans lequel le moyen de chauffe par induction (15) comprend une tête de travail comprenant une bobine (24) noyée dans un substrat (23) solide cylindrique solidaire du corps principal de rouleau (11) et configuré pour isoler électriquement la bobine (24) de la première couche en matériau composite (21) et de la deuxième couche en matériau composite (22), le moyen de chauffe étant configuré de sorte que la bobine (24) chauffe la couche en matériau métallique (14) et la deuxième couche en matériau composite (22) lorsque la bobine (24) est dans un état électromagnétique actif de fonctionnement.
  7. Rouleau de calandrage (10) selon la revendication 6, dans lequel le substrat (23) comprend, de préférence est constitué par, une résine et/ou la bobine (24) comprend du cuivre et/ou de l’acier, de préférence est constituée en cuivre ou en acier.
  8. Rouleau de calandrage (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la couche en matériau métallique (14) comprend un revêtement en chrome ou en carbure de tungstène.
  9. Dispositif (100) de préparation d’une électrode dans lequel le dispositif (100) comprend au moins un, de préférence deux, rouleaux de calandrage (10) selon l’une des revendications 1 à 8.
  10. Procédé de fabrication d’un rouleau de calandrage (10) selon l’une des revendications 1 à 8 comprenant les étapes suivantes :
    - formation du corps principal de rouleau (11) équipé du moyen de chauffe par induction (15) et solidaire de l’arbre d’entraînement de rouleau (12), et
    - application d’une couche en matériau métallique (14) sur la deuxième couche de matériau composite (22).
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