WO2015018798A1 - Rouleau de compactage pour tête de placement de fibres imprégnées de résine thermoplastique et tête de placement de fibres - Google Patents

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WO2015018798A1
WO2015018798A1 PCT/EP2014/066748 EP2014066748W WO2015018798A1 WO 2015018798 A1 WO2015018798 A1 WO 2015018798A1 EP 2014066748 W EP2014066748 W EP 2014066748W WO 2015018798 A1 WO2015018798 A1 WO 2015018798A1
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roller
equal
roll
temperature
head
Prior art date
Application number
PCT/EP2014/066748
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Inventor
Mickael Krzeminski
Ludovic JAGUENAUD
Jean-Christophe LOZES
Guy Larnac
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Airbus Defence And Space Sas
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
    • B29C70/04—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
    • B29C70/28—Shaping operations therefor
    • B29C70/30—Shaping by lay-up, i.e. applying fibres, tape or broadsheet on a mould, former or core; Shaping by spray-up, i.e. spraying of fibres on a mould, former or core
    • B29C70/38—Automated lay-up, e.g. using robots, laying filaments according to predetermined patterns
    • B29C70/382—Automated fiber placement [AFP]
    • B29C70/384—Fiber placement heads, e.g. component parts, details or accessories
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
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    • B29C70/38—Automated lay-up, e.g. using robots, laying filaments according to predetermined patterns
    • B29C70/386—Automated tape laying [ATL]
    • B29C70/388—Tape placement heads, e.g. component parts, details or accessories

Definitions

  • the present invention relates to machines and methods for the manufacture of thermoplastic composite material parts, implementing wire placement and / or filament winding.
  • the invention relates to the roller, or roller, implemented during the removal of son or sheets to compact the layers successively deposited.
  • the methods used generally consist in depositing son or sheets of preimpregnated material on a mold, which may be in the form of a winding mandrel, which has the shape of the part to be produced, the deposited material being consolidated either simultaneously or at a later date.
  • composite materials concerned are materials comprising long mineral fibers, for example glass or carbon, or organic fibers, for example aramid, held in a hard organic matrix, designated under the generic term of resin, for example a polymer whose characteristics are chosen according to the desired performance of the part produced.
  • thermoplastic resin In the case of thermoplastic composite materials which it is preferentially question in the present invention, a so-called thermoplastic resin is used.
  • the thermoplastic resin is a resin which has the characteristic of being hard at room temperature and up to the temperatures expected in use for the part to be produced.
  • the resin ensures in practice the cohesion of the son between them and gives the piece an important part of its rigidity.
  • the thermoplastic resin also has the property of becoming malleable above a certain temperature, which depends on the resin in question, and to find its hardness characteristics when the temperature is lowered again. This characteristic of reversible change in the hardness and malleability of the thermoplastic resin for impregnating the yarns is put to use during the production of the thermoplastic composite material parts and leads to the use of means for heating the resin.
  • the machines used to deposit the fibers or ribbons include in particular a winding head and / or fiber placement, which ensures the contact of the fibers with the mold on which are deposited son.
  • These winding or fiber placement heads comprise a roller which exerts a pressure at the location of a contact area where the fibers are deposited on the workpiece resulting in plating of the threads or webs on the mold. or on already deposited layers.
  • the head also comprises heating means for bringing the resin impregnated fibers to a temperature higher than the desired temperature to allow the placement of the son or plies on the mold and to ensure a cohesion of layers deposited successively.
  • This heating is in practice very localized to the area where the fibers or sheets are deposited, that is to say precisely at the location where the roller is in contact with the part being produced.
  • the heating means must bring a high energy flow into the zone. and the heating is most often performed by a hot gas torch or a laser.
  • the roll By the very fact of the energy provided continuously during the production of the part in the contact zone, the roll itself is subjected to a high heat flux and absorbs energy that raises its temperature which can quickly reach a temperature that may damage the deposited material and may affect the life of the roller or its qualities depending on the material in which it is made.
  • the patent application US2012 / 0073749 shows an example of a roller comprising a rigid cylinder wrapped in a layer of a flexible fibrous ceramic material which is resistant to high temperatures, the roll being further cooled by a heat transfer fluid circuit or by a generator of cold.
  • Cooling by coolant remains difficult to achieve given the space available in the winding head carrying the roller, especially if it is desired to obtain a manageable head and therefore as light as possible and of dimensions as small as possible , and taking into account the energy flows involved.
  • problems of implementation are noted due to a relatively long transitional phase during which the system is not in thermal equilibrium, and of thermal dilatations leading to problems as for the aging of the parts, the management of the games ...
  • the flexibility of the roll provided by the layer of fibrous ceramic material in the example of the prior art cited but can be obtained by other solutions such as segmented rollers or rollers comprising an elastomeric material, if it is It is necessary for complex mold shapes, in particular with double curvature, and does not appear to be essential for the production of parts of less complex shapes, for example having only simple curvatures or cylindrical tanks of revolution.
  • the deformation of the elastomeric materials also has the
  • the compacting roll of the invention for a thermoplastic resin prepreg fiber-laying head consists mainly of a cylinder of outside diameter D1, of length E and comprising, axis of the cylinder an axial recess of diameter D2, and the roll is formed of a material having:
  • a compressive strength equal to or greater than 20 N / mm 2 between a temperature of 0 ° C. and a temperature of 500 ° C .;
  • the material in which the roll is made has a thermal diffusivity coefficient equal to or greater than 10E-5 m2 / s, preferably greater than 10E-4 m2 / s.
  • the material further has a thermal conduction coefficient equal to or greater than 50W / m.K.
  • the material has a thermal expansion coefficient of less than or equal to 10E-5 per Kelvin. It is thus obtained a stability dimensional roll subjected to temperatures of several hundred ° C.
  • the roller in addition to its ability not to absorb a large amount of heat in proportion to the heat produced in the fiber removal zone, thus has stable dimensions in the operating temperature range, discharges a large part of the heat received by thermal conduction and reaches stable thermal conditions in operation.
  • the material in which the roll is made has a porosity less than or equal to 0.5%, which ensures a good application of the pressure.
  • the material in which the roll is made is a machinable ceramic material so that it is possible to make a roll with precise dimensions without the need for complicated or expensive manufacturing processes.
  • the material is a ceramic material among aluminum nitrides, aluminum oxide AI2O3, silicon carbide SiC.
  • the roll is made of Machinable Aluminum Nitride with an optical absorption coefficient of less than 0.15 / m in a range of 900 nm to 1000 nm in optical radiation at a temperature of 400 ° C.
  • the material is an aluminum nitride of thermal conductivity equal to or greater than 90 W / m.K.
  • the invention also relates to a head for depositing fibers pre-impregnated with a thermoplastic resin for producing parts made of composite materials, comprising at least one roller comprising all or some of the characteristics of the roller of the invention.
  • FIG. 1 a simplified general view of a fiber depositing head during the production of a piece of thermoplastic composite material
  • FIGS. 2a and 2b a profile view, FIG. 2a, and in axial section of a ceramic compaction roller adapted to the fiber deposition head of FIG. 1.
  • FIG. 1 shows a simplified view of a head 100 for the deposition of wires 50 impregnated with a thermoplastic resin during winding of a part 51 that is mainly cylindrical of revolution, partially visible in the figure.
  • the head 100 is part of an assembly, not visible in the figure, for the production of thermoplastic composite material parts including itself a device for supporting the head 100 so as to orient and permanently position the head as desired and a mold, here a winding mandrel, on which the piece is made.
  • the head 10 comprises a compacting roller 10 for exerting a pressure on the wires 50 when they are applied to the mold or to the already deposited wires, which pressure is held against the surface on which the wires are deposited with a desired value by a cylinder 20 of said head.
  • the head 10 comprises a heating means, here a laser 21, a contact zone of the roller with the workpiece in progress.
  • the head 10 comprises means 22 for blowing a neutral gas, for example nitrogen, making it possible, on the one hand, to neutralize the atmosphere of the zone raised to high temperature by the laser and, on the other hand, to cool the composite material heated by the laser 21 after the deposition of the son.
  • a neutral gas for example nitrogen
  • the roll 10 is a roll made entirely of a rigid material under the forces and at the temperatures used, that is to say that the roll does not deform substantially during its use, and secondly that has the following physical qualities:
  • the material with a thermal diffusivity equal to or greater than 10E-5 m2 / s, preferably greater than 10E-4 m2 / s;
  • the material has a high transparency in the field of the emission spectrum of the laser, preferably greater than 0.2 ⁇ m;
  • the material furthermore has a coefficient of thermal expansion less than or equal to 10E-5 per Kelvin, in the temperature range encountered by the roll in use, that is to say approximately from 0 ° C. to 500 ° C. ° C for so-called "high temperature” thermoplastic resins.
  • the material in order to be compatible with use for a compacting roll, must have sufficient compressive strength with respect to the application forces of the roll on the part being produced, preferably greater than 20 N / mm 2, and have a low porosity, preferably less than 0.5%.
  • the material In order to allow the compacting roll to be produced in the desired shapes and sizes, the material must also be adapted to at least one forming process, for example the material is machinable if the roll is to be machined.
  • a compacting roller 10 according to the criteria set out is particularly advantageous because said roller absorbs a very reduced energy compared with known rolls and is rapidly reached in operation under stable thermal conditions.
  • the roll has the shape of a cylinder of circular cross-section of outside diameter D1 and length E, an outer surface of said roll determining a running surface 1 1 of the roll.
  • the outer diameter D1 and the length E are a function of the size of the head 100 and the shapes and dimensions of the part to be produced.
  • a roll 10 of outside diameter D1 equal to about 60 mm and length E equal to about 22 mm allows for a compact head 100 particularly compatible with the realization of the bottom of the tank, at the ends of the cylindrical portion of the tank, by filament winding.
  • the roll 10 has at the center of the disc an axial recess 12, here a circular section hole of internal diameter D2 intended for the passage of a shaft, not shown in FIGS. 2a and 2b, around which the roll is freely rotatably mounted by example by means of a ball bearing or roller adapted to the implementation temperatures of the roller 10.
  • the shaft and the bearing are for example made of an ordinary material having a thermal conductivity equal to or greater than 50 W / mK, for example a steel or a ceramic material whose characteristics of high thermal diffusivity are more favorable to obtaining rapid thermal equilibrium.
  • the transparency of the material constituting the roller 10 at the wavelengths of the heating laser beam limits the amount of energy absorbed by said roller.
  • the laser used to provide the heating energy of the pre-impregnated fibers is for example a laser of the infrared range, for example emitting in the spectrum between 900 nm and 1000 nm wavelength, a power of the order KiloWatt, the energy being in practice adapted to bring the resin in the dispensing zone to the desired temperature and therefore depending on the type of resin and the rate of removal that condition the energy required.
  • the roll 10 is made of ceramic such as aluminum nitride, aluminum oxide AI2O3, a Silicon Carbide SiC in a variety with a desired optical transparency, materials whose properties, especially mechanical, can be adjusted by additive elements known in the industrial ceramics industry.
  • ceramic such as aluminum nitride, aluminum oxide AI2O3, a Silicon Carbide SiC in a variety with a desired optical transparency, materials whose properties, especially mechanical, can be adjusted by additive elements known in the industrial ceramics industry.
  • Ceramics generally have a high hardness and their porosity may be less than 0.5%, as for example in the case of Machinable Aluminum Nitride diffused by the company GoodFellow under the reference
  • the aluminum nitride in this machinable form is particularly suitable for producing the roll of the invention because of its stability up to temperatures of 1000 ° C., therefore much higher than the necessary temperatures, of a thermal conductivity. in the order of 90 W / mK, that is to say more than 10 times that of ordinary stainless steel and thermal diffusivity greater than 4x10E-5 greater than 10 times that of ordinary stainless steel .
  • a ceramic material having a thermal diffusivity greater than at least 10E-5 m2 / s and preferably greater than 10E-4 m2 / s, and having a thermal conductivity greater than 90 W / mK, in practice included between 90 and 180 W / mK
  • the diffusivity of a material is equal to ⁇ / pCp, where ⁇ is the thermal conductivity, p is the density and Cp is its volume heat capacity. This value characterizes the transient thermal behavior of the material, and determines the time required for the material to reach a stable thermal state.
  • Such thermal conductivity makes it possible, on the one hand, to obtain rapid heating of the roll 10 and thus to reduce the transient phase of warming up at the beginning of operation of the head 100 and, on the other hand, to drive thermal energy.
  • said head carrying the roller and constituting a heat sink and a radiator so that the equilibrium temperature of the roller in operation is limited.
  • Aluminum Nitride also has a coefficient of thermal expansion of 4.4. 10E-6 at the temperature of 400 ° C relatively low by relative to the equivalent coefficients of most common materials having mechanical characteristics adapted to the roll, for example compared to that of a steel about three times higher.
  • the inside diameter D2 is slightly greater, at ambient temperature, than a diameter of the bearing intended to be placed in the axial recess 12.
  • the inside diameter D2 is substantially equal to the diameter of the bearing intended to be placed in the hole when the roller 10 and the bearing are brought to the equilibrium temperature in operation of the head 100.
  • the absorbed energy of the laser radiation passing through said roll is therefore almost zero.
  • the infrared light power absorbed by the roll is almost zero, at most of the order of 10 W, negligible value compared to the heat transmitted by conduction from the parts of the workpiece being manufactured and heated by the laser beam.
  • the transparency of the roll makes it possible to heat the fibers during deposition and the fibers already deposited by means of the infrared laser beam including through the roll 10, without inducing excessive heating of the roll, which allows to improve the homogeneity of the energy flows brought for the local heating of the part and the deposited fibers.
  • the low heating of the roller in use and its transparency to the laser radiation used for the localized heating of the workpiece allows the realization of a particularly compact dispensing head and whose movements allowed by the compactness of the head allow to use the roll, although rigid, for the winding of curved bottom cylindrical tanks tanks.
  • the roll of the invention can be implemented for the deposition of fibers impregnated with a thermosetting resin.

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Abstract

Un rouleau 10 de compactage de tête de dépose de fibres préimprégnées de résine thermoplastique est constitué d'un cylindre de diamètre extérieur D1, de longueur E et comportant suivant un axe du cylindre un évidement axial de diamètre D2. En outre le rouleau est formé en un matériau présentant une résistance à la compression égale ou supérieure à 20 N/mm2 entre une température de 0°C et une température de 500°C et un coefficient d'absorption optique inférieure à 0,2 / m, à une température comprise entre 0°C et 500°C, dans au moins une plage de longueurs d'ondes compatible avec une émission d'un laser de puissance de chauffage. Avantageusement, le matériau du rouleau a en outre un coefficient de diffusivité thermique égal ou supérieur à 10E-5 m2/s, de préférence supérieur à 10E-4 m2/s et ou un coefficient de conduction thermique égal ou supérieur à 50W / m.K, et ou un coefficient thermique de dilatation inférieur ou égal à 10EE-5 par Kelvin et ou une porosité inférieure ou égale à 0,5%.

Description

Rouleau de compactage pour tête de placement de fibres imprégnées de résine thermoplastique et tête de placement de fibres
La présente invention concerne les machines et procédés pour la fabrication de pièces en matériaux composites thermoplastiques, mettant en œuvre le placement de fils et/ou l'enroulement filamentaire.
Plus particulièrement, l'invention est relative au rouleau, ou galet, mis en œuvre lors de la dépose des fils ou des nappes pour réaliser le compactage des couches successivement déposées.
Les procédés mis en œuvre consistent globalement à déposer des fils ou des nappes de matériau pré-imprégnés sur un moule, pouvant avoir la forme d'un mandrin de bobinage, qui a la forme de la pièce à réaliser, le matériau déposé étant consolidé soit simultanément soit ultérieurement à sa dépose.
On comprendra ici et dans la suite de la description que les matériaux composites concernés sont des matériaux comportant des fibres longues minérales, par exemple verre ou carbone, ou organiques, par exemple aramide, maintenue dans une matrice organique dure, désignée sous le terme générique de résine, par exemple un polymère dont les caractéristiques sont choisies en fonction des performances souhaitées de la pièce réalisée.
Dans le cas des matériaux composites thermoplastiques dont il est préférentiellement question dans la présente invention, il est utilisé une résine dite thermoplastique.
La résine thermoplastique est une résine qui présente la caractéristique d'être dure à la température ambiante et jusqu'à des températures prévues en utilisation pour la pièce à réaliser. La résine assure en pratique la cohésion des fils entre eux et donne à la pièce une part importante de sa rigidité. La résine thermoplastique présente également la propriété de devenir malléable au dessus d'une certaine température, qui dépend de la résine considérée, et de retrouver ses caractéristiques de dureté lorsque la température est à nouveau abaissée. Cette caractéristique de changement réversible de la dureté et de la malléabilité de la résine thermoplastique d'imprégnation des fils est mise à profit lors de la réalisation des pièces en matériau composite thermoplastique et conduit à mettre en œuvre des moyens de chauffage de la résine.
Les machines utilisées pour déposer les fibres ou les rubans sont connues et comportent en particulier une tête de bobinage et/ou de placement de fibres, qui assure la mise en contact des fibres avec le moule sur lequel sont déposés les fils.
Ces têtes de bobinage ou de placement de fibres comportent un rouleau qui exerce une pression à l'emplacement d'une zone de contact où les fibres sont déposées sur la pièce en cours de réalisation ayant pour résultat de plaquer les fils ou nappes sur le moule ou sur les couches déjà déposées.
Diverses contraintes s'imposent au rouleau et en particulier, il doit permettre d'appliquer la pression souhaitée sur la zone de dépose des fils ou nappes, y compris dans le cas de surfaces non planes qui peuvent être à simple ou à double courbure, et il ne doit pas adhérer aux fils ou nappes à déposer, afin de ne pas détériorer ces fils ou nappes.
En outre, pour la réalisation de pièces en matériau composite thermoplastique, la tête comporte également des moyens de chauffage pour amener les fibres imprégnées de résine à une température supérieure à la température souhaitée pour permettre le placement des fils ou nappes sur le moule et pour assurer une cohésion des couches successivement déposées.
Ce chauffage est en pratique très localisé à la zone où les fibres ou nappes sont déposées, c'est-à-dire précisément à l'emplacement où le rouleau est en contact avec la pièce en cours de réalisation.
Du fait des températures devant être maintenue dans cette zone de contact, qui peuvent atteindre 400°C à 500°C avec certaines résines thermoplastiques utilisées dans la réalisation de pièces aéronautiques, les moyens de chauffage doivent apporter un flux d'énergie élevé dans la zone et le chauffage est le plus souvent réalisé par une torche à gaz chaud ou un laser.
Du fait même de l'énergie apportée de manière continue pendant la réalisation de la pièce dans la zone de contact, le rouleau est soumis lui-même à un flux de chaleur important et absorbe une énergie qui élève sa température qui peut rapidement atteindre une température susceptible d'endommager le matériau déposé et qui peut affecter la durée de vie du rouleau ou ses qualités en fonction du matériau dans lequel il est réalisé.
Il est ainsi connu de réaliser les rouleaux dans un matériau où par un assemblage de matériaux résistant en température et de refroidir le rouleau pendant le fonctionnement de la tête de bobinage ou de placement de fibres et éviter une élévation de température excessive du rouleau.
La demande de brevet US2012/0073749 présente un exemple de rouleau comportant un cylindre rigide enveloppé d'une couche d'un matériau céramique fibreux souple qui résiste aux températures élevées, le rouleau étant par ailleurs refroidi par un circuit de fluide caloporteur ou par générateur de froid.
Le refroidissement par fluide caloporteur reste cependant difficile à réaliser compte tenu de l'espace disponible dans la tête de bobinage portant le rouleau, en particulier s'il est souhaité obtenir une tête maniable et donc aussi légère que possible et de dimensions aussi réduites que possible, et compte tenu des flux d'énergie en jeu. En outre, avec un rouleau métallique en tout ou partie, il est constaté des problèmes de mise en œuvre du fait d'une phase transitoire relativement longue au cours de laquelle le système n'est pas en équilibre thermique, et de dilatations thermiques conduisant à des problèmes quant au vieillissement des pièces, la gestion des jeux ...
De plus la souplesse du rouleau, apportée par la couche de matériau céramique fibreux dans l'exemple de l'art antérieur cité mais pouvant être obtenu par d'autres solutions telles que des rouleaux segmentés ou des rouleaux comportant un matériau élastomère, si elle s'avère nécessaire pour des formes de moule complexes, en particulier à double courbure, n'apparaît pas indispensable pour la réalisation de pièces de formes moins complexes, par exemple ne comportant que des courbures simples ou des réservoirs cylindriques de révolution.
L'utilisation de rouleau en matériaux plastiques ou en élastomères se heurte aux problèmes de fonctionnement et de vieillissement du fait d'une dégradation rapide au contact avec le matériau thermoplastique déposé et en présence du chauffage ou de l'illumination laser.
La déformation des matériaux élastomères a également pour
conséquence de limiter les forces appliquées pour le compactage du fait même que la déformation du rouleau entraîne une augmentation des surfaces d'appui qui diminue limite l'augmentation recherchée de la pression de contact.
Pour apporter une solution aux problèmes rencontrés avec les solutions connues, le rouleau de compactage de l'invention pour une tête de dépose de fibres préimprégnées de résine thermoplastique est constitué principalement d'un cylindre de diamètre extérieur D1 , de longueur E et comporte suivant un axe du cylindre un évidement axial de diamètre D2, et le rouleau est formé en un matériau présentant :
- une résistance à la compression égale ou supérieure à 20 N/mm2 entre une température de 0°C et une température de 500°C ;
- un coefficient d'absorption optique inférieure à 0,2 / dm, à une température comprise entre 0°C et 500°C, dans au moins une plage de longueurs d'ondes compatible avec une émission d'un laser de puissance de chauffage.
Il est ainsi obtenu un rouleau de compactage non déformable dans son domaine d'utilisation, et qui évite un échauffement excessif par absorption du rayonnement laser utilisé par la tête de dépose pour chauffer localement le matériau thermoplastique.
De préférence le matériau dans lequel le rouleau est réalisé a un coefficient de diffusivité thermique égal ou supérieur à 10E-5 m2/s, de préférence supérieur à 10E-4 m2/s.
Il est ainsi lors de l'utilisation du rouleau obtenu rapidement une température de fonctionnement stable du rouleau.
Dans une forme de réalisation, le matériau a en outre un coefficient de conduction thermique égal ou supérieur à 50W / m.K. Il est ainsi obtenu une évacuation de la chaleur qui limite réchauffement du rouleau en fonctionnement.
Dans une forme de réalisation, le matériau a un coefficient thermique de dilatation inférieur ou égal à 10E-5 par Kelvin. Il est ainsi obtenu une stabilité dimensionnelle du rouleau soumis à des températures de plusieurs centaines de °C.
Le rouleau, outre ses capacités à ne pas absorber une quantité de chaleur importante en proportion de la chaleur produite dans la zone de dépose des fibres, présente ainsi des dimensions stables dans le domaine de température de fonctionnement, évacue une part importante de la chaleur reçue par conduction thermique et atteint rapidement en fonctionnement des conditions thermiques stables.
De préférence, le matériau dans lequel est réalisé le rouleau a une porosité inférieure ou égale à 0,5%, ce qui assure une bonne application de la pression.
Dans une forme de réalisation, le matériau dans lequel est réalisé le rouleau est un matériau céramique usinable de sorte qu'il est possible de réaliser un rouleau avec des dimensions précises sans nécessiter de faire appel à des procédé de fabrication complexes ou coûteux.
Par exemple le matériau est un matériau céramique parmi les Nitrures d'Aluminium, l'oxyde d'aluminium AI2O3, des Carbure de Silicium SiC.
Dans une forme particulière, le rouleau est réalisé dans un Nitrure d'Aluminium usinable avec un coefficient d'absorption optique inférieur à 0,15 / m dans une plage de longueur d'un rayonnement optique de 900 nm à 1000 nm, à la température de 400°C. Il est ainsi obtenu un rouleau présentant la plupart des qualités recherchées pour le rouleau de l'invention au moyen d'un matériau industriellement économique et aisément disponible.
Avantageusement le matériau est un Nitrure d'Aluminium de conductivité thermique égale ou supérieure à 90 W/m.K.
L'invention concerne également une tête de dépose de fibres préimprégnées d'une résine thermoplastique pour la réalisation de pièces en matériaux composites, comportant au moins un rouleau comportant toutes ou parties des caractéristiques du rouleau de l'invention. La description détaillée d'un mode de réalisation est faite en référence aux figures qui représentent de manière non limitative :
figure 1 : une vue générale simplifiée d'une tête de dépose de fibres en cours de réalisation d'une pièce en matériau composite thermoplastique ;
figures 2a et 2b : une vue de profil, figure 2a, et en coupe axiale d'un rouleau de compactage en céramique adapté à la tête de dépose de fibres de la figure 1 .
Sur les dessins, les différentes parties ne sont pas nécessairement représentées à la même échelle.
La figure 1 montre une vue simplifiée d'une tête 100 de dépose de fils 50 imprégnés d'une résine thermoplastique en cours de bobinage d'une pièce 51 principalement cylindrique de révolution, partiellement visible sur la figure.
La tête 100 fait partie d'un ensemble, non visible sur la figure, pour la réalisation de pièces en matériau composite thermoplastique comportant lui- même un dispositif pour supporter la tête 100 de manière à orienter et positionner en permanence la tête comme souhaité et un moule, ici un mandrin de bobinage, sur lequel est réalisé la pièce.
La tête 10 comporte un rouleau 10 de compactage pour exercer une pression sur les fils 50 lors de leur application sur le moule ou sur les fils déjà déposés, pression qui est maintenue contre la surface sur laquelle sont déposés les fils avec une valeur souhaitée par un vérin 20 de ladite tête.
La tête 10 comporte un moyen de chauffage, ici un laser 21 , d'une zone de contact du rouleau avec la pièce en cours de réalisation.
La tête 10 comporte des moyens de soufflage 22 d'un gaz neutre, par exemple de l'azote, permettant d'une part de rendre neutre l'atmosphère de la zone portée à température élevée par le laser et d'autre part de refroidir le matériau composite chauffé par le laser 21 après le dépôt des fils. Dans le cas présent le rouleau 10 est un rouleau réalisé intégralement dans un matériau rigide sous les efforts et aux températures utilisés, c'est-à-dire que le rouleau ne se déforme pas sensiblement lors de son utilisation, et d'autre part qui présente les qualités physiques suivantes :
- le matériau à une diffusivité thermique égale ou supérieure à 10E- 5 m2/s, de préférence supérieure à 10E-4 m2/s ;
- le matériau présente une forte transparence dans le domaine du spectre d'émission du laser, de préférence supérieur à 0,2/dm ;
- de préférence, le matériau a en outre un coefficient de dilatation thermique inférieur ou égal à 10E-5 par Kelvin, dans le domaine de température rencontré par le rouleau en utilisation, c'est-à-dire environ de 0°C à 500°C pour les résines thermoplastiques dite "hautes températures" .
En outre le matériau, pour être compatible avec une utilisation pour un rouleau de compactage, doit avoir une résistance à la compression suffisante vis à vis des efforts d'application du rouleau sur la pièce en cours de réalisation, de préférence supérieure à 20 N/mm2, et présenter une faible porosité, de préférence inférieure à 0,5 %.
Afin de permettre la réalisation du rouleau de compactage aux formes et dimensions voulues, le matériau doit également être adapté à au moins un procédé de façonnage, par exemple le matériau est usinable si le rouleau doit être réalisé par usinage.
La réalisation d'un rouleau 10 de compactage suivant les critères exposés s'avère particulièrement avantageuse du fait que ledit rouleau absorbe une énergie très diminuée par rapport aux rouleaux connus et qu'il est atteint rapidement en fonctionnement des conditions thermiques stables..
Dans un exemple de réalisation du rouleau 10, tel qu'illustré sur la figure 2, le rouleau présente la forme d'un cylindre de section circulaire de diamètre extérieur D1 et de longueur E, une surface extérieure dudit cylindre déterminant une surface de roulement 1 1 du rouleau. Le diamètre extérieur D1 et la longueur E sont fonction de la dimension de la tête 100 et des formes et dimensions de la pièce à réaliser.
Dans l'exemple de la réalisation d'un réservoir cylindrique de révolution par enroulement filamentaire de 800mm de diamètre, un rouleau 10 de diamètre extérieur D1 égal à environ 60 mm et de longueur E égale à environ 22 mm permet de réaliser une tête 100 compacte compatible en particulier avec la réalisation des fonds du réservoir, aux extrémité de la partie cylindrique du réservoir, par enroulement filamentaire.
Le rouleau 10 présente au centre du disque un évidement axial 12, ici un trou de section circulaire de diamètre intérieur D2 destiné au passage d'un arbre, non représenté sur les figures 2a et 2b, autour duquel le rouleau est monté libre en rotation par exemple par l'intermédiaire d'un roulement à billes ou à rouleaux adapté aux températures de mise en œuvre du rouleau 10.
L'arbre et le roulement sont par exemple réalisés dans un matériau ordinaire ayant une conductivité thermique égale ou supérieure à 50 W/m.K, par exemple un acier ou dans un matériau céramique dont les caractéristiques de diffusivité thermique élevée sont plus favorable à l'obtention rapide d'un équilibre thermique. La transparence du matériau constituant le rouleau 10 aux longueurs d'ondes du faisceau laser de chauffage limite la quantité d'énergie absorbée par ledit rouleau.
Le laser mis en œuvre pour apporter l'énergie de chauffage des fibres préimprégnées est par exemple un laser du domaine infrarouge, par exemple émettant dans le spectre entre 900 nm et 1000 nm de longueur d'onde, d'une puissance de l'ordre du KiloWatt, l'énergie étant en pratique adaptée pour amener la résine dans la zone de dépose à la température souhaitée et donc dépendant du type de résine et de la vitesse de dépose qui conditionnent l'énergie nécessaire.
Pour obtenir les caractéristiques recherchées du rouleau, le rouleau 10 est réalisé en céramique telle que du Nitrure d'Aluminium, de l'oxyde d'aluminium AI2O3, un Carbure de Silicium SiC dans une variété présentant une transparence optique recherchée, matériaux dont les propriétés, mécaniques en particulier, peuvent être ajustées par des éléments additifs connus de l'industrie des céramiques industrielles.
Les céramiques présentent en général une dureté élevée et leur porosité peut être inférieure à 0,5% comme par exemple dans le cas du Nitrure d'Aluminium usinable diffusé par la société GoodFellow sous la référence
TM
Shapal M
Le Nitrure d'Aluminium sous cette forme usinable s'avère particulièrement adapté à la réalisation du rouleau de l'invention en raison de sa stabilité jusqu'à des températures de 1000°C, donc bien supérieures aux températures nécessaires, d'une conductivité thermique de l'ordre de 90 W/m.K, c'est-à-dire plus de 10 fois celle d'un acier inoxydable ordinaire et d'une diffusivité thermique supérieure à 4x10E-5 supérieure à 10 fois celle d'un acier inoxydable ordinaire.
De préférence, il sera préféré un matériau céramique présentant une diffusivité thermique supérieure à au moins 10E-5 m2/s et de préférence supérieure à 10E-4 m2/s, et présentant une conductivité thermique supérieure à 90 W/m.K, en pratique comprise entre 90 et 180 W/m.K.
La diffusivité d'un matériau est égale à λ/pCp, où λ est la conductivité thermique, p la densité et Cp sa capacité calorifique volumique. Cette valeur caractérise le comportement thermique transitoire du matériau, et détermine le temps nécessaire pour que le matériau atteigne un état thermique stable.
Une telle conductivité thermique permet d'une part d'obtenir une mise en température rapide du rouleau 10 et ainsi de réduire la phase transitoire de mise en température en début de fonctionnement de la tête 100 et d'autre part de conduire l'énergie thermique vers les structures de ladite tête portant le rouleau et constituant un puits thermique et un radiateur de sorte que la température d'équilibre du rouleau en fonctionnement est limitée.
Le Nitrure d'Aluminium possède également un coefficient de dilatation thermique de 4,4 . 10E-6 à la température de 400°C relativement faible par rapport aux coefficients équivalents de la plupart des matériaux courant présentant des caractéristiques mécaniques adaptées au rouleau, par exemple par rapport à celui d'un acier ordinaire environ trois fois plus élevé.
Un tel coefficient de dilatation permet d'améliorer le comportement au vieillissement du rouleau 10 fortement sollicité en contraintes mécaniques et en cycles thermiques.
Dans une forme de réalisation, le diamètre intérieur D2 est légèrement supérieur, à température ambiante, à un diamètre du roulement destiné à être placé dans l'évidement axial 12.
Plus particulièrement le diamètre intérieur D2 est sensiblement égal au diamètre du roulement destiné à être placé dans le trou lorsque le rouleau 10 et le roulement sont portés à la température d'équilibre en fonctionnement de la tête 100.
Il est ainsi possible à la température ambiante d'un atelier, du fait d'un coefficient de dilatation supérieur du roulement, par exemple en acier, d'insérer sans effort, et donc sans risque d'endommagement du rouleau, l'arbre et le roulement dans le trou 12. A température de fonctionnement du rouleau 10, par exemple à environ 400°C, le roulement en raison de sa dilatation différentielle s'appuie sur une surface de l'évidement axial 12 avec un léger serrage de sorte à assurer un transfert de chaleur du rouleau vers le roulement et l'arbre puis vers les autres parties de la tête 100, sans toutefois exercer sur les parois dudit évidement axial une pression qui serait susceptible de fragiliser mécaniquement le rouleau 10. Le Nitrure d'Aluminium, ainsi que l'oxyde d'aluminium ΓΑΙ2Ο3, présente également une transparence proche de 100% pour les longueurs d'ondes du domaine infrarouge comprises entre 900 nm et 1000 nm.
Sur les épaisseurs considérées de Nitrure d'Aluminium pour le rouleau 10, soit environ 40 mm, l'énergie absorbée du rayonnement laser traversant ledit rouleau est donc quasiment nulle. Pour un laser de chauffage d'une puissance de l'ordre de 1000W, il en résulte que la puissance lumineuse infrarouge absorbée par le rouleau est quasiment nulle, tout au plus de l'ordre de 10 W, valeur négligeable par rapport à la chaleur transmise par conduction depuis les parties de la pièce en cours de fabrication et chauffée par le faisceau du laser.
En outre la transparence du rouleau permet de réaliser un chauffage des fibres en cours de dépôt et des fibres déjà déposées au moyen du faisceau laser infrarouge y compris au travers du rouleau 10, et ceci sans induire un chauffage excessif du rouleau, ce qui permet d'améliorer l'homogénéité des flux d'énergie apportés pour le chauffage local de la pièce et des fibres déposées.
L'utilisation d'un Nitrure d'Aluminium usinable permet de réaliser le rouleau 10 avec des dimensions précises par usinage d'un bloc de Nitrure d'Aluminium.
La mise en œuvre d'un rouleau en Nitrure d'Aluminium de diamètre extérieur D1 = 57 mm, de diamètre intérieur D2 = 22 mm et de longueur E = 22 mm, avec un laser infrarouge de 1 100 Watts, avec une tête de dépose de fibres opérant avec 3 mèches de 5 mm de large sous une tension de 2,5 daN par mèche et une force d'appui du rouleau de 65 daN a permis de constater qu'il est possible dans ces conditions opératoires de réaliser des pièces en matériau composite thermoplastique avec des vitesses de défilement des mèches de 10 m/ min sans qu'il soit noté un échauffement excessif ou une dégradation de l'état du rouleau tout en constatant un très bon résultat dans la dépose des fibres.
Outre les performances propres au rouleau, le faible échauffement du rouleau en utilisation et sa transparence aux rayonnements laser utilisés pour le chauffage localisé de la pièce permet la réalisation d'une tête de dépose particulièrement compacte et dont les mouvements permis par la compacité de la tête permettent d'utiliser le rouleau, bien que rigide, pour le bobinage de fond bombés de réservoirs à corps cylindriques. Bien que particulièrement adapté à la dépose de fibres imprégnées de résine thermoplastique, le rouleau de l'invention peut être mis en œuvre pour le dépôt de fibres imprégnées d'une résine thermodurcissable.

Claims

R E V E N D I C A T I O N S
1 - Rouleau (10) de compactage de tête de dépose (100) de fibres préimprégnées de résine thermoplastique constitué d'un cylindre de diamètre extérieur D1 , de longueur E et comportant suivant un axe du cylindre un évidement axial de diamètre D2, caractérisé en ce que le rouleau est formé en un matériau présentant :
- une résistance à la compression égale ou supérieure à 20 N/mm2 entre une température de 0°C et une température de 500°C ;
- un coefficient d'absorption optique inférieure à 0,2 / dm, à une température comprise entre 0°C et 500°C, dans au moins une plage de longueurs d'ondes compatible avec une émission d'un laser de puissance de chauffage.
2 - Rouleau suivant la revendication 1 dans lequel le matériau a en outre un coefficient de diffusivité thermique égal ou supérieur à 10E-5 m2/s, de préférence supérieur à 10E-4 m2/s.
3 - Rouleau suivant la revendication 1 ou la revendication 2 dans lequel le matériau a en outre un coefficient de conduction thermique égal ou supérieur à 50W / m.K. 4 - Rouleau suivant l'une des revendications précédentes dans lequel le matériau a un coefficient thermique de dilatation inférieur ou égal à 10E-5 par Kelvin.
5 - Rouleau suivant l'une des revendications précédentes dans lequel le matériau a une porosité inférieure ou égale à 0,5%.
6 - Rouleau suivant la revendication 5 dans lequel le matériau est un matériau céramique usinable. 7 - Rouleau suivant l'une des revendications 5 ou 6 dans lequel le matériau est un matériau céramique parmi les Nitrures d'Aluminium, , l'oxyde d'aluminium AI2O3, les Carbures de Silicium SiC. 8 - Rouleau suivant la revendication 7 dans lequel le matériau est un Nitrure d'Aluminium usinable avec un coefficient d'absorption optique inférieur à 0,15 / m dans une plage de longueur d'un rayonnement optique de 900 nm à 1000 nm, à la température de 400°C. 9 - Rouleau suivant la revendication 8 dans lequel le matériau est un Nitrure d'Aluminium de conductivité thermique égale ou supérieure à 90 W/m.K.
10 - Tête de dépose (100) de fibres préimprégnées d'une résine thermoplastique pour la réalisation de pièces en matériaux composites, comportant au moins un rouleau (10) conforme à l'une des revendications précédentes.
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CERAMIC SUBSTRATES: "Shapal-M Soft Machining", 9 November 2010 (2010-11-09), XP002725068, Retrieved from the Internet <URL:http://www.youtube.com/watch?v=tXvrV9f4K1w> [retrieved on 20140527] *

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