WO2015018799A1 - Rouleau de compactage pour tête de dépose de fils préimprégnés de résine et procédé de réalisation d'un tel rouleau - Google Patents

Rouleau de compactage pour tête de dépose de fils préimprégnés de résine et procédé de réalisation d'un tel rouleau Download PDF

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roller
roll
elastomer
tube
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Mickael Krzeminski
Ludovic JAGUENAUD
Jean-Christophe LOZES
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Airbus Defence And Space Sas
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Definitions

  • the present invention relates to machines and methods for the manufacture of composite material parts, implementing son 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 processes implemented for the production of composite material parts by wire placement or filament winding generally consist of depositing son or sheets of preimpregnated son on a mandrel or on a mold which has the shape of the part to be produced. , the deposited material being consolidated either simultaneously or subsequently at its removal.
  • composite materials concerned in which the pieces are made are materials comprising long mineral fibers, for example glass or carbon, or organic fibers, for example aramid, held in a hard organic matrix, referred to as generic resin, for example a polymer whose characteristics are chosen according to the desired performance of the part produced.
  • thermoplastic composite materials In the case of thermoplastic composite materials, 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 of a certain temperature, which depends on the resin considered, and to find its hardness characteristics when the temperature is lowered again.
  • thermoplastic resin for impregnating the yarns 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.
  • thermosetting resin In the case of thermosetting composite materials, a so-called thermosetting resin is used.
  • Thermosetting resins are resins which have the particularity of passing from a liquid or pasty state, in which it is possible to deposit the preimpregnated fibers, to a hardened state resulting from a non-reversible polymerization.
  • the polymerization can be achieved or accelerated by temporarily raising the temperature.
  • the machines used to deposit the fibers or the ribbons or the plies of threads are known and comprise in particular a winding and / or fiber placement head, which ensures the contact of the fibers with the mandrel or the mold on which are deposited the threads.
  • These winding or fiber placement heads comprise a roller which exerts pressure at the location of a contact area where the fibers are deposited on the workpiece resulting in the plating of the threads or plies on the mandrel or 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 provide a flow of high energy in the area and heating is most often performed by a hot gas torch or a laser.
  • the roller Due to the energy provided continuously during the production of the part in the contact zone, the roller itself is subjected to a large heat flow and absorbs energy that raises its temperature which can quickly reach a temperature may damage the deposited material and may affect the life of the roll or its qualities depending on the material in which it is made.
  • a deformable roller such as for example segmented rollers or rolls made of an elastic material.
  • deformable roll is generally guided by the need to deposit the fibers on molds of complex shapes, having multiple curvatures and left surfaces, the deformations of the roll being intended to compensate for curvatures of the mold along the nip theoretical of the roll with the mold.
  • US Patent 8156988 is an example of a roll of elastic material.
  • the use of a known deformable roll has the disadvantage of limiting the compaction force that can be achieved due to the deformation of the roll. Indeed, the greater the force applied on the roll, the more the latter is deformed which increases the contact surface between the roll and the workpiece and consequently the contact pressure does not increase proportionally to the force applied and found in limited practice.
  • spot heating of the workpiece is applied for example by laser heating
  • the increase of the contact surface with the material resulting from the deformation of the roll leads to exerting pressure on areas of the workpiece. illuminated by the laser, not yet heated or already cooled, at temperatures where the diffusion of macromolecular chains is no longer possible and therefore without effect on the compaction sought.
  • the compacting roller according to the invention for depositing head of resin preimpregnated fibers having the shape of a cylinder of circular section of outer diameter D1, of length E and having along an axis of disk an axial recess, comprises a core made of an elastomeric material having a hardness between 45 Shore A and 90 Shore A and comprises a non-stick coating attached to an outer surface of the core.
  • a roller the length of which is limited according to the curvatures of the part to be produced, makes it possible to maintain a reduced contact surface with the part, during the removal of threads pre-impregnated with resin by means of the head on which it is mounted.
  • the elastomeric material of the core is a silicone.
  • the choice of such a material makes it possible to benefit from good chemical neutrality with respect to the resins of the composite materials in question, the possibility of withstanding temperatures which may exceed 200 ° C. and the possibility of controlling the hardness of the material. soul realize by a control of the conditions of polymerization and the incorporation of additives.
  • the elastomer material of the core is a bi-component RTV silicone polymerizable at room temperature.
  • the elastomeric material of the core comprises a silica short fiber filler of between 0.5% and 2% by weight.
  • the elastomeric material of the core possibly incorporating a short silica filler, has a hardness of between 55 shore A and 75 shore A.
  • Such hardness corresponds in practice to a permissible crushing of the roll in use and sufficient for a wide range of curvatures of parts to achieve, the crushing condition to meet the constraints introduced by the shapes of the part to be achieved can advantageously be verified theoretically when programming the movements of the depositing head son.
  • the non-stick sheath (12) is, for example, a film of fluorinated material of the PTFE, FEP or ETFE type or of polyimide. This results in a flexible and tear-resistant sheath and with anti-adhesive properties, these characteristics of the sheath can be adapted by the choice of the thickness and its surface state.
  • the non-stick coating is fixed to the core by gluing, for example with a film of a flexible adhesive.
  • the non-stick sheath is formed in a heat shrinkable FEP fluoroethylenepropylene film bonded to the core. by means of a monocomponent silicone elastomer. There is thus obtained a roll in which the sheath is perfectly adjusted and fixed to the core.
  • the invention also relates to a depositing head of resin prepreg fibers comprising a roller as considered above.
  • the invention also relates to a method for producing a resin pre-impregnated fiber depositing head roll which comprises the steps of:
  • the preparation step of the tube intended to form the anti-adhesion sheath advantageously comprises a preparation treatment for bonding an inner face of the tube so as to obtain an improved adhesion of the antiadherent sheath to the core.
  • the preparation for bonding treatment comprises, for example, a step of chemical etching and / or flaming and or mechanical etching of the inner face of the tube.
  • the bicomponent elastomer of the core is a room temperature polymerizable two-component silicone (RTV), in which the film of the non-stick sheath is a fluoroethylenepropylene film ( FEP) and wherein the adhesive is a silicone elastomer.
  • a short fiber filler of silica is mixed with the two-component elastomer during its preparation and before the degassing step under partial vacuum.
  • the short silica fibers are preferably about 10 to 100 m in diameter.
  • the short silica fibers are preferably between one and five millimeters in length.
  • the end of polymerization step is carried out in an oven at a temperature above room temperature. It is thus reduced the time of realization of a roll and, by a better control of the polymerization parameters, improved the reproducibility of the characteristics of the rolls produced by the process.
  • 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 compaction roller according to the invention adapted to the fiber deposition head of FIG. 1.
  • FIG. 1 shows a simplified view of a head 100 for depositing son 50 impregnated with a thermoplastic resin during winding of a cylindrical piece 51 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 are deposited the son to achieve the piece.
  • the head 100 comprises a compacting roller 10 for exerting a pressure on the wires 50 when they are applied to the mold or on 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.
  • the head 100 comprises a heating means, here a laser 21, a contact zone of the roller with the workpiece in progress.
  • the head 100 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, illustrated in FIGS. 2a and 2b is a roll comprising a core 1 1 made of elastomer and a non-sticking sheath 12.
  • the core 1 1 has a cylindrical overall shape of circular section of diameter D1 and length E along the generatrices of the cylinder.
  • the core 1 1 has an axial recess 13 also cylindrical in shape and of circular cross section of internal diameter D2.
  • the axial recess 13 corresponds to the location of a shaft by which the roller 10 is fixed on the head 100 so as to rotate freely about an axis 15 of said roller.
  • section of the axial recess 13 is not necessarily a circle, other sections, for example polygonal, that can be made, for example in order to prevent slipping between the shaft and the 'soul.
  • the elastomer of the core 1 1 is chosen from elastomers having a hardness of between 45 shore A and 90 shore A, typically a hardness of between 55 and 75 shore A, and maintaining its physicochemical characteristics up to temperatures at least 220 ° C.
  • Such an elastomer is, for example, a silicone.
  • the release liner 12 covers the surface of the roll 10 in at least a whole rolling area of the roll which is capable of being brought into contact with the fibers during operation of the head, a rolling zone which corresponds in practice to a cylindrical outer surface of said roll.
  • the material of the non-stick sheath 12 is chosen from the materials on which the resin impregnating the deposited fibers does not adhere and retaining its physico-chemical characteristics up to temperatures of 200 ° C. or more.
  • the non-stick sheath 12 is for example made of a film of fluorinated material of the PTFE, FEP or ETFE type or of polyimide.
  • the non-stick sheath 12 is fixed by gluing on the core 1 1 by means of an adhesive 14 between an outer surface of the core and an inner surface treated to bond the non-stick sheath.
  • the elastomer of the core 11 is loaded with short fibers, typically between 10 and 100 m in diameter and 1 to 5 mm in length, of silica in order to adjust the hardness of the elastomer of the core to a desired value.
  • the short fiber load in the elastomer is between 0.5% and 2% by weight.
  • the choice of silica for this charge has the advantage of not deteriorating the transparency of the core 1 1 to the radiation of the heating lasers and thus not to cause heating of the roll 10 by absorption of the laser energy during operation. of the head 100.
  • the roll 10 thus formed has a rigidity adapted to transmit the pressing force created by the head 100, without excessive crushing of the roll, to ensure good compaction of the material being deposited and sufficient flexibility so that said roll is deformed under the effect of said bearing force so as to match the shape of the mold and to distribute said force over the length E of the roll in the presence of curvatures of the mold.
  • the non-stick sheath 12 avoids a drive, by adhesion and tearing, fibers being deposited or already deposited.
  • the desired qualities of the roll 10 require the use of materials having the required characteristics and the implementation during the realization of the roll of methods adapted to ensure the adherence by sticking the non-stick sheath 12 to the core 1 1 in the conditions of crushing, rolling and temperature forces experienced by the roller in use.
  • To make the roll 10 it is implemented the following method.
  • the core 11 is produced.
  • a two-component silicone polymerizable at room temperature said RTV type (for Room Temperature Vulcanizing silicone), and able to be cold cast, is prepared by mixing a base and a catalyst.
  • the silicone is, for example, the silicone diffused under the reference Elastosil M4670® by the company Wacker and which has, after polymerization, a hardness of about 60 Shore A, with a short fiber load of silica of 1.5% by weight.
  • a roll 10 For an exemplary embodiment of a roll 10 whose dimensions are 55 mm for the outer diameter D1 and having an axial recess 13 of 22 mm for the inner diameter D2, it is implemented about 100 g of the silicone component A Elastosil M4670 to which is added 10% by weight of the component M, and the two components are mixed with the spatula.
  • the mixture obtained is then degassed under vacuum for 2 hours.
  • vacuum it is necessary to consider here a partial vacuum realized in workshop, that is to say corresponding to a pressure lower than a tenth of atmosphere (lower to about 10 KPa)
  • a new degassing step by partially evacuating the mold containing the mixture for one hour is carried out. This step is followed by an end of polymerization step during which the mold containing the mixture is placed in an oven and then heated in the example shown at 150 ° C for 6 hours.
  • the silicone core 1 1 thus produced with the desired shape for the roll 10 is demolded after natural cooling and deburred.
  • the non-stick sheath 12 is fixed on the core 11.
  • a heat-shrinkable FEP fluoroethylenepropylene film is used for the release liner 12.
  • the film is thin relative to the outer diameter D1 of the roll 10, the choice of a thickness must however take into account the resistance of the film to the tearing taking into account the forces exerted on the roll 10 in use and its deformations.
  • a thickness of 500 ⁇ is used, for example.
  • the FEP film used is packaged in the form of a tube whose diameter, before the material is subjected to a necking phase, is greater than the outside diameter D1.
  • a length of non-stick sheath 12 used is at least equal to the length E of the silicone core 1 1 and preferably with a shrunken front sheath section greater than a section of the core 1 1 corresponding to the outside diameter D 1 to allow the subsequent placement of said sheath.
  • Such a film is, for example, the film broadcast under the reference "FEP Etched Sleeve - 2-1 / 2" - HFE6-25020-04E "by the company Saint-Gobain Performance Plastic.
  • the film corresponding to this reference presents in addition the particularity of being delivered with the inner face of the stripped and frosted tube to be glued.
  • the implementation of a film made in the form of a tube makes it possible to have a smooth and continuous outer surface.
  • the film is stuck on the soul 1 1.
  • an inner surface of the tube intended to form the release liner 12 is, if said release liner has not undergone previous preparation, etched and frosted, for example sanded with fine abrasive paper (for example P500), so that to create a surface roughness;
  • an outer surface of the silicone core 1 1 and the inner surface of the sheath are coated with a layer of an adhesion promoter, for example the adhesion promoter distributed under the reference Rhodorsil PM820® of the company Bluestar Silicones, and the adhesion promoter is left in the open air and ambient temperature for 15 minutes;
  • an adhesion promoter for example the adhesion promoter distributed under the reference Rhodorsil PM820® of the company Bluestar Silicones, and the adhesion promoter is left in the open air and ambient temperature for 15 minutes;
  • an adhesive 14 for example a monocomponent silicone elastomer, for example the silicone diffused under the reference CAF4® from Bluestar Silicones, is applied to the spatula in a thin layer on the outer surface of the core 1 1 silicone;
  • the tube after introduction of the core 11, is then folded on said silicone core in a conventional manner with a hot air gun and a suitable set temperature of 500 ° C. with the film used, to form the sheath; anti-adherent 12;
  • air bubbles which may appear between the non-stick sheath 12 and the outer surface of the silicone core 11 are removed by pressure and flush on the sides, for example by means of a roller to be de-boiled or manually;
  • the roll 10 obtained is then left at rest for at least 4 hours in order to allow the polymerization of the silicone elastomer to take place at the temperature;
  • the non-adherent sheath 12 which is excess in length and protrudes at ends of the web 11, is cut out.
  • the roll 10 thus obtained is sized in length by sanding. The roll is then ready to be mounted on the shaft and on the head 100.
  • mandrel comprising a central cylindrical portion of circular section and ends in the form of spherical caps, thus left surfaces with a double curvature
  • - head heater made with a laser source: Laserline LDF3000-100 with Laserline LL4 / LL4 optics, and a power output of 800 Watts
  • the experimented roller did not undergo deterioration likely to affect the continuous operation of the head to deposit on the mandrel a complete layer of the composite material, which deposit was made in two hours and thirty minutes.
  • the contact surface under the roll 1 1 due to the compacting force applied by the head 100 has a length of 20 mm, the length of the roll, and width 23 mm.
  • This deformation makes it possible, on the one hand, to obtain a pressure that is suitable for compacting and, on the other hand, a deformation of the roll to maintain this pressure along the entire length E of the roll when the shape of the mold or of the part has a curvature in the direction roll generators.
  • the roller 10 and the dispensing head 100 equipped with this roller is particularly suitable for depositing fibers on molds or mandrels comprising in particular double-curved surfaces. Because of the materials used and their behavior at relatively high temperatures, the roller is suitable for removing pre-impregnated threads of thermoplastic resin, but it is also able to be implemented with son prepreg curable resin.
  • the production method can be optionally automated, which is advantageous in that the roll 10 of the head 100 is a part subject to constraints. important and which should be considered as a wear part which must be replaced regularly, if necessary as a precautionary measure, in order to avoid interruptions of head operation during the production of a part which would be necessary in case of roll damage .
  • an elastomer having a transparency at the wavelengths of the laser radiation used for heating the composite material for example a transparency of the order of 80%, is used for producing the roll. for the diameter of the roll. This results in an energy absorption by the limited roll 10 which thus facilitates its cooling and its maintenance at a temperature below a temperature likely to lead to rapid damage to the roll, typically a temperature below 200 ° C.

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Abstract

Un rouleau 10 de compactage de tête de dépose de fibres préimprégnées de résine est de la forme d'un cylindre de section circulaire de diamètre extérieur D1, de longueur E et comporte suivant un axe du cylindre un évidement axial 13. Le rouleau 10 comporte une âme 11 réalisée dans un matériau élastomère présentant une dureté comprise entre 45 shore A et 90 shore A et comporte une gaine anti-adhérente 12 fixée sur une surface extérieure de ladite âme. L'âme 11 est par exemple réalisée avec un silicone bi-composant et la gaine anti-adhérente 12 est par exemple réalisée dans un film fluoroéthylènepropylène thermorétractable, fixé par collage sur l'âme au moyen d'un élastomère silicone.

Description

Rouleau de compactage pour tête de dépose de fils préimprégnés de résine et procédé de réalisation d'un tel rouleau
La présente invention concerne les machines et procédés pour la fabrication de pièces en matériaux composites, 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 pour la réalisation de pièces en matériau composite par placement de fils ou enroulement filamentaire consistent globalement à déposer des fils ou des nappes de fils pré-imprégnés sur un mandrin ou sur un moule 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 dans lesquels sont réalisées les pièces sont des matériaux comportant des fibres longues minérales, par exemple verre ou carbone, ou organiques, par exemple aramide, maintenues 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 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 malléables 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.
Dans le cas des matériaux composites thermodurcissables il est utilisé une résine dite thermodurcissable.
Les résines thermodurcissables sont des résines qui présentent la particularité de passer d'un état liquide ou pâteux, dans lequel il est possible de déposer les fibres préimprégnées, à un état durci résultat dune polymérisation non réversible. La polymérisation peut être obtenue ou accélérée par une élévation temporaire de la température. Les machines utilisées pour déposer les fibres ou les rubans ou les nappes de fils 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 mandrin ou 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 mandrin ou 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 300°C à 400°C temporairement avec certaines résines thermoplastiques utilisées dans la réalisation de pièces par exemple à usage aéronautique, 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.
Lorsqu'il est nécessaire de déposer le matériau composite sur des formes complexes, en particulier présentant des doubles courbures, il est connu de mettre en œuvre un rouleau pouvant se déformer tel que par exemple des rouleaux segmentés ou des rouleaux réalisés dans un matériau élastique.
L'utilisation d'un rouleau déformable est généralement guidée par le besoin de déposer les fibres sur des moules de formes complexes, présentant des courbures multiples et des surfaces gauches, les déformations du rouleau étant sensées compenser les courbures du moule suivant la ligne de contact théorique du rouleau avec le moule.
Le brevet US 8156988 est un exemple d'un rouleau en matériau élastique.
Dans le cas de tels rouleaux une difficulté vient de la dégradation rapide du rouleau sous les effets combinés de la température élevée et de la pression importante qui est exercée par la tête de bobinage pour assurer le compactage des fibres.
En outre, l'utilisation d'un rouleau déformable connu présente l'inconvénient de limiter la force de compactage qu'il est possible d'atteindre en raison de la déformation du rouleau. En effet, plus l'effort appliqué sur le rouleau est important, plus ce dernier se déforme ce qui augmente la surface de contact entre le rouleau et la pièce et en conséquences la pression de contact n'augmente pas proportionnellement à la force appliquée et se trouve en pratique limitée. De plus, lorsqu'il est appliqué un chauffage ponctuel de la pièce par exemple par un chauffage laser, l'augmentation de la surface de contact avec le matériau résultant de la déformation du rouleau conduit à exercer la pression sur des zones de la pièce non illuminée par le laser, non encore chauffées ou déjà refroidies, à des températures où la diffusion des chaînes macromoléculaires n'est plus possible et donc sans effet sur le compactage recherché.
Pour remédier aux défauts des solutions connues, le rouleau de compactage suivant l'invention pour tête de dépose de fibres préimprégnées de résine, ayant la forme d'un cylindre de section circulaire de diamètre extérieur D1 , de longueur E et comportant suivant un axe du disque un évidement axial, comporte une âme réalisée dans un matériau élastomère présentant une dureté comprise entre 45 shore A et 90 shore A et comporte une gaine anti-adhérente fixée sur une surface extérieure de l'âme. Un tel rouleau, dont la longueur est limitée en fonction des courbures de la pièce à réaliser, permet de maintenir une surface de contact réduite avec la pièce, lors de la dépose de fils préimprégnés de résine au moyen de la tête sur laquelle il est monté, tout en subissant les déformations permettant au rouleau de rester en appui sur toute sa longueur lorsque la surface de la pièce ou du moule sur lequel est formée la pièce présente des courbures suivant la direction de l'axe du rouleau comme dans le cas des surfaces gauches en particulier. Ce résultat est obtenu avec une durée de vie améliorée du rouleau soumis aux contraintes du compactage et sans adhérence de la résine de préimprégnation des fibres sur la surface d'appui du rouleau. Dans une forme de réalisation le matériau élastomère de l'âme est un silicone. Le choix d'un tel matériau permet de bénéficier d'une bonne neutralité chimique vis à vis des résines des matériaux composites considérés, de la possibilité de tenue à des températures pouvant dépasser 200°C et de la possibilité de contrôler la dureté de l'âme réaliser par un contrôle des conditions de polymérisation et l'incorporation d'additifs.
En particulier le matériau élastomère de l'âme est un silicone bi- composant RTV polymérisable à température ambiante.
Dans une forme de réalisation le matériau élastomère de l'âme comporte une charge en fibres courtes de silice comprise entre 0,5% et 2% en masse. Il est ainsi obtenu une dureté augmentée du matériau élastomère fonction de la charge introduite et sans conséquence sensible sur la transparence optique aux longueurs d'ondes des lasers de chauffage pouvant être mis en œuvre par la tête sur laquelle le rouleau est monté.
Avantageusement le matériau élastomère de l'âme, éventuellement incorporant une charge en fibres courtes de silice, présente une dureté comprise entre 55 shore A et 75 shore A. Une telle dureté correspond en pratique à un écrasement admissible du rouleau en utilisation et suffisant pour un large domaine de courbures de pièces à réaliser, la condition d'écrasement pour satisfaire les contraintes introduites par les formes de la pièce à réaliser pouvant avantageusement être vérifiée de manière théorique lors de la programmation des mouvements de la tête de dépose des fils.
La gaine anti-adhérente (12) est par exemple un film en matériau fluoré du type PTFE, FEP ou ETFE ou en polyimide. Il en résulte une gaine souple et résistante aux déchirures et avec des propriétés anti-adhérentes, ces caractéristiques de la gaine pouvant être adaptées par le choix de l'épaisseur et de son état de surface.
Pour éviter ou pour limiter le risque de désolidarisation de la gaine par rapport à l'âme, avantageusement la gaine anti-adhérente est fixée sur l'âme par collage, par exemple à l'aide d'un film d'un adhésif souple.
Dans un mode de réalisation, la gaine anti-adhérente est formée dans un film en fluoroéthylènepropylène FEP thermorétractable fixé par collage sur l'âme au moyen d'un élastomère silicone monocomposant. Il est ainsi obtenu un rouleau dans lequel la gaine est parfaitement ajustée et fixée à l'âme.
L'invention concerne également une tête de dépose de fibres préimprégnées de résine comportant un rouleau tel que considéré ci-dessus.
L'invention concerne également un procédé de réalisation d'un rouleau de tête de dépose de fibres préimprégnées de résine qui comporte les étapes de :
préparation d'un élastomère bi-composant et de dégazage sous vide partiel dudit élastomère après mélange des composants, puis ;
- remplissage d'un moule à rouleau aux formes d'une âme du rouleau et de dégazage sous vide partiel dudit élastomère remplissant le moule, suivis d'une étape de fin de polymérisation de l'élastomère bi-composant dans le moule à rouleau ;
préparation d'un tube, devant former une gaine anti-adhérence, réalisé dans un film thermorétractable ayant des propriétés anti-adhérentes aux résines utilisées pour la réalisation des matériaux composites dont la dépose de fils est prévue ;
application d'un adhésif sur une face extérieure de l'âme préalablement extraite du moule à rouleau après l'étape de fin de polymérisation de ladite âme, puis ;
retreint du tube après introduction de l'âme dans ledit tube par chauffage dudit tube.
Il est ainsi obtenu un rouleau prêt à être utilisé et bénéficiant des avantages du rouleau de l'invention.
L'étape de préparation du tube devant former la gaine anti-adhérence comporte avantageusement un traitement de préparation au collage d'une face intérieure du tube de sorte à obtenir une adhérence améliorée de la gaine antiadhérente sur l'âme.
Le traitement de préparation au collage comporte par exemple une étape de gravure chimique et ou de flammage et ou de dépolissage mécanique de la face intérieure du tube. En particulier dans une mise en œuvre du procédé, l'élastomère bi- composant de l'âme est un silicone à deux composants polymérisable à température ambiante (RTV), dans lequel le film de la gaine anti-adhérence est un film en fluoroéthylènepropylène (FEP) et dans lequel l'adhésif est un élastomère de silicone.
Dans un mode de mise en œuvre, afin de modifier la dureté de l'âme et donc la résistance à l'écrasement du rouleau, une charge de fibres courtes de silice est mélangée à l'élastomère bi-composant lors de sa préparation et avant l'étape de dégazage sous vide partiel.
Pour apporter la modification de dureté voulue, les fibres courtes de silice ont avantageusement entre 10 et 100 m de diamètre environ.
Les fibres courtes de silice ont avantageusement entre un et cinq millimètres environ de longueur.
Dans un mode de mise en œuvre, l'étape de fin de polymérisation est réalisée en étuve à une température supérieure à la température ambiante. Il est ainsi diminué le temps de réalisation d'un rouleau et, par un meilleur contrôle des paramètres de polymérisation, amélioré la reproductibilité des caractéristiques des rouleaux réalisés par le procédé. La description détaillée d'un mode de réalisation est faite en références 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 suivant l'invention 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 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 sont déposés les fils pour réaliser la pièce.
La tête 100 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.
La tête 100 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 100 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, illustré sur les figures 2a et 2b, est un rouleau comportant une âme 1 1 en élastomère et une gaine anti-adhérente 12.
L'âme 1 1 a une forme d'ensemble cylindrique de section circulaire de diamètre D1 et de longueur E suivant les génératrices du cylindre.
L'âme 1 1 comporte un évidement axial 13 également de forme cylindrique et de section circulaire de diamètre intérieur D2. L'évidement axial 13 correspond à l'emplacement d'un arbre par lequel le rouleau 10 est fixé sur la tête 100 de sorte à tourner librement autour d'un axe 15 dudit rouleau.
II doit être noté que la section de l'évidement axial 13 n'est pas nécessairement un cercle, d'autre sections, par exemple polygonales, pouvant être réalisées, par exemple dans le but d'éviter un glissement entre l'arbre et l'âme.
L'élastomère de l'âme 1 1 est choisi parmi les élastomères présentant une dureté comprise entre 45 shore A et 90 shore A, typiquement une dureté comprise entre 55 et 75 shore A, et conservant ses caractéristiques physico-chimiques jusqu'à des températures d'au moins 220°C. Un tel élastomère est par exemple un silicone.
La gaine anti-adhérente 12 recouvre la surface du rouleau 10 dans au moins toute une zone de roulement du rouleau qui est susceptible d'être mise en contact avec les fibres lors du fonctionnement de la tête, zone de roulement qui correspond en pratique à une surface extérieure cylindrique dudit rouleau.
Le matériau de la gaine anti-adhérente 12 est choisi parmi les matériaux sur lesquels la résine imprégnant les fibres déposées n'adhère pas et conservant ses caractéristiques physico chimiques jusqu'à des températures égales ou supérieures à 200°C.
La gaine anti-adhérente 12 est par exemple réalisée en un film en matériau fluoré du type PTFE, FEP ou ETFE ou en polyimide.
La gaine anti-adhérente 12 est fixée par collage sur l'âme 1 1 au moyen d'un adhésif 14 entre une surface extérieure de l'âme et une surface intérieure, traitée pour réaliser un collage, de la gaine anti-adhérente.
Dans une forme de réalisation, l'élastomère de l'âme 1 1 est chargé en fibres courtes, typiquement entre 10 et 100 m de diamètre environ et de 1 à 5 mm en longueur, de silice afin d'ajuster la dureté de l'élastomère de l'âme à une valeur souhaitée.
De préférence la charge en fibres courtes dans l'élastomère est comprise entre 0,5% et 2% en masse. Le choix de silice pour cette charge présente l'avantage de ne pas détériorer la transparence de l'âme 1 1 au rayonnement des lasers de chauffage et donc de ne pas provoquer un échauffement du rouleau 10 par absorption de l'énergie laser lors du fonctionnement de la tête 100.
Le rouleau 10 ainsi constitué présente une rigidité adaptée pour transmettre la force d'appui créée par la tête 100, sans écrasement excessif du rouleau, afin d'assurer un bon compactage du matériau en cours de dépôt et une souplesse suffisante pour que ledit rouleau soit déformé sous l'effet de ladite force d'appui de sorte à épouser la forme du moule et à répartir ladite force sur la longueur E du rouleau en présence de courbures du moule. La gaine anti-adhérente 12 évite un entraînement, par adhérence et arrachement, des fibres en cours de dépôt ou déjà déposées.
Les qualités recherchées du rouleau 10 nécessitent l'utilisation de matériaux présentant les caractéristiques requises et la mise en œuvre lors de la réalisation du rouleau de méthodes propres à assurer le maintien par collage de la gaine anti-adhérente 12 sur l'âme 1 1 dans les conditions d'efforts d'écrasement, de roulement et de température subit par le rouleau en utilisation. Pour réaliser le rouleau 10 il est mis en œuvre le procédé suivant.
Dans une première étape l'âme 1 1 est réalisée.
Pour cette première étape un silicone bi-composant polymérisable à température ambiante, dit de type RTV (pour Room Température Vulcanizing silicone), et apte à être coulé à froid, est préparé par mélange d'une base et d'un catalyseur. Le silicone est par exemple le silicone diffusé sous la référence Elastosil M4670 ® par la société Wacker et qui présente après polymérisation une dureté de l'ordre de 60 Shore A, avec une charge en fibres courtes de silice de 1 ,5% en masse.
Pour un exemple de réalisation d'un rouleau 10 dont les dimensions sont de 55 mm pour le diamètre extérieur D1 et comportant un évidement axial 13 de 22 mm pour le diamètre intérieur D2, il est mis en œuvre environ 100 g du composant A du silicone Elastosil M4670 auquel il est ajouté 10% en masse du composant M, et les deux composants sont mélangés à la spatule.
Le mélange obtenu est alors mis à dégazer sous vide pendant 2 heures. Par vide, il faut considérer ici un vide partiel réalisé en atelier, c'est-à-dire correspondant à une pression inférieure à un dixième d'atmosphère (inférieure à environ 10 KPa)
Le mélange ainsi obtenu à l'état fluide et versé dans un moule ayant les dimensions de l'âme 1 1 et comportant un noyau à la place prévue pour l'évidement axial 13.
Une nouvelle étape de dégazage par mise sous vide partiel du moule contenant le mélange pendant une heure est réalisée. Cette étape est suivie d'une étape de fin de polymérisation pendant laquelle le moule contenant le mélange est placé en étuve puis monté en température, dans l'exemple présenté, à 150°C pendant 6 heures.
L'âme 1 1 en silicone ainsi réalisée avec la forme souhaitée pour le rouleau 10 est démoulée après refroidissement naturel et ébavurée.
Les dosages de produits, les durées et températures précisées correspondent à un exemple de réalisation avec la référence du silicone mis en œuvre et ces différents paramètres seront adaptés par l'homme du métier en fonction des produits utilisés.
Dans une seconde étape, la gaine anti-adhérente 12 est fixée sur l'âme 1 1 .
Pour obtenir les qualités de non adhérence souhaitées des fibres préimprégnées de résine, il est utilisé pour la gaine anti-adhérente 12 un film en fluoroéthylènepropylène FEP thermorétractable. Le film est de faible épaisseur en regard du diamètre extérieur D1 du rouleau 10, le choix d'une épaisseur devant cependant prendre en compte la résistance du film au déchirement compte tenu des efforts exercés sur le rouleau 10 en utilisation et de ses déformations. Une épaisseur de 500 μιτι est par exemple utilisée.
Le film FEP utilisé est conditionné sous la forme d'un tube dont le diamètre, avant que le matériau ne soit soumis à une phase de rétreint, est supérieur au diamètre extérieur D1 . Une longueur de gaine anti-adhérente 12 utilisée est au moins égale à la longueur E de l'âme 1 1 en silicone et de préférence avec une section de gaine avant retreint supérieure à une section de l'âme 1 1 correspondant au diamètre extérieur D1 afin de permettre le placement ultérieur de la dite gaine.
Un exemple d'un tel film est par exemple le film diffusé sous la référence « Gaine FEP Etched - 2-1/2" - HFE6-25020-04E » par la société Saint-Gobain Performance Plastic. Le film correspondant à cette référence présente en outre la particularité d'être livré avec la face intérieure du tube décapée et dépolie pour être collée. La mise en œuvre d'un film réalisé sous la forme d'un tube permet de disposer d'une surface extérieure lisse et continue.
Le film est collé sur le l'âme 1 1 .
Pour réaliser le collage, il est procédé aux étapes suivantes :
- une surface intérieure du tube devant former la gaine anti-adhérente 12 est, si ladite gaine anti-adhérente n'a pas subit de préparation antérieurement, décapée et dépolie, par exemple poncée au papier abrasif fin (par exemple P500), de sorte à créer une rugosité de surface ;
- une surface extérieure de l'âme 1 1 en silicone et la surface intérieure de la gaine sont enduites d'une couche d'un promoteur d'adhésion, par exemple le promoteur d'adhésion distribué sous la référence Rhodorsil PM820 ® de la société Bluestar Silicones, et le promoteur d'adhésion est laissé à l'air libre et température ambiante pendant 15 minutes ;
- une couche d'un adhésif 14, par exemple un élastomère silicone monocomposant, par exemple le silicone diffusé sous la référence CAF4 ® de la société Bluestar Silicones, est appliquée à la spatule en une couche mince sur la surface extérieure de l'âme 1 1 silicone ;
- le tube, après introduction de l'âme 1 1 ,est ensuite retreint sur ladite âme en silicone de manière conventionnelle avec un pistolet à air chaud et une température de consigne adaptée, de 500°C avec le film utilisé, pour former la gaine anti-adhérente 12 ;
- des bulles d'air pouvant apparaître entre la gaine anti-adhérente 12 et la surface extérieure de l'âme 1 1 en silicone sont éliminées par pression et chasse sur les côtés, par exemple au moyen d'un rouleau à débuller ou manuellement ;
- le rouleau 10 obtenu est ensuite laissé au repos pendant 4 h au moins afin de laisser la polymérisation de l'élastomère silicone s'effectuer à la température ;
- la gaine anti-adhérente 12 excédentaire en longueur et dépassant à des extrémités de l'âme 1 1 est découpée.
Si besoin, le rouleau 10 ainsi obtenu est mis à la côte souhaitée en longueur par ponçage. Le rouleau est alors prêt à être monté sur l'arbre et sur la tête 100.
Un rouleau réalisé suivant le procédé conforme au procédé décrit de manière détaillée ci-dessus a été mis en œuvre pour réaliser en condition réelle le dépôt de fils préimprégnés de résine thermoplastique sur un mandrin par enroulement filamentaire dans les conditions suivantes :
- mandrin comportant une partie centrale cylindrique de section circulaire et des extrémités en forme de calottes sphériques, donc des surfaces gauches avec une double courbure
- diamètre du mandrin = 0,800 m
- longueur du mandrin = 1 ,800 m
- fibres déposées sous la forme de 3 mèches de 5 mm de large
- dispositif de chauffage de la tête réalisé avec une source laser : Laserline LDF3000-100 avec optique Laserline LL4/LL4, et une puissance de consigne de 800 Watts
- vitesse de défilement des fils : 7,2 m / min
- tension des fils : 2 daN par fil
- force de compactage exercée sur le rouleau : 39 daN
- création d'une atmosphère inerte dans la zone de dépose par deux torches à azote à température ambiante avec un débit de 100 l.min"1.
Dans ces conditions opératoires, le rouleau expérimenté n'a pas subit de détérioration susceptible d'affecter le fonctionnement continu de la tête pour déposer sur le mandrin une couche complète du matériau composite, dépôt qui a été réalisé en deux heures et trente minutes.
La surface de contact sous le rouleau 1 1 du fait de la force de compactage appliquée par la tête 100 a pour longueur 20mm, la longueur du rouleau, et pour largeur 23mm. Cette déformation permet d'une part d'obtenir une pression adaptée au compactage et d'autre part une déformation du rouleau pour maintenir cette pression sur toute la longueur E du rouleau lorsque la forme du moule ou de la pièce présente une courbure suivant la direction des génératrices du rouleau. Le rouleau 10 et la tête de dépose 100 équipée de ce rouleau s'avère particulièrement adaptés à la dépose de fibres sur des moules ou des mandrins comportant en particulier des surfaces à double courbures. Du fait des matériaux utilisés et de leurs comportements à des températures relativement élevées, le rouleau est adapté à la dépose de fils préimpégnées de résine thermoplastique, mais il est également en mesure d'être mis en œuvre avec des fils préimprégnées de résine durcissable.
Le coût d'un tel rouleau suivant l'invention est relativement faible, le procédé de réalisation pouvant être le cas échéant automatisé, ce qui s'avère avantageux dans la mesure où le rouleau 10 de la tête 100 est une pièce soumise à des contraintes importantes et qui doit être considéré comme une pièce d'usure qui doit remplacée régulièrement, le cas échéant à titre préventif, pour éviter des interruptions de fonctionnement de la tête pendant la réalisation d'une pièce qui seraient nécessaires en cas d'endommagement du rouleau.
Dans une forme de réalisation, il est mis en œuvre pour la réalisation du rouleau un élastomère présentant une transparence aux longueurs d'ondes du rayonnement laser mis en œuvre pour le chauffage du matériau composite, par exemple une transparence de l'ordre de 80% pour le diamètre du rouleau. Il en résulte une absorption d'énergie par le rouleau 10 limitée qui facilite ainsi son refroidissement et son maintien à une température inférieure à une température susceptible de conduire à un endommagement rapide du rouleau, typiquement une température inférieure à 200°C.

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 ayant une forme d'un cylindre de section circulaire de diamètre extérieur D1 , de longueur E et comportant suivant un axe du disque un évidement axial (13), caractérisé en ce que le rouleau (10) comporte une âme (1 1 ) réalisée dans un matériau élastomère présentant une dureté comprise entre 45 shore A et 90 shore A et comporte une gaine antiadhérente (12) fixée sur une surface extérieure de ladite âme.
2 - Rouleau suivant la revendication 1 dans lequel le matériau élastomère de l'âme (1 1 ) est un silicone.
3 - Rouleau suivant la revendication 2 dans lequel le matériau élastomère de l'âme (1 1 ) est un silicone bi-composant polymérisable à température ambiante, dit de type RTV, polymérisé.
4 - Rouleau suivant l'une des revendications précédentes dans lequel le matériau élastomère de l'âme (1 1 ) comporte une charge en fibres courtes de silice comprise entre 0,5% et 2% en masse. 5 - Rouleau suivant l'une des revendications précédentes dans lequel le matériau élastomère de l'âme (1 1 ), éventuellement incorporant une charge en fibres courtes de silice, présente une dureté comprise entre 55 shore A et 75 shore A. 6 - Rouleau suivant l'une des revendications précédentes dans lequel la gaine anti-adhérente (12) est un film en matériau fluoré du type PTFE, FEP ou ETFE ou en polyimide. 7 - Rouleau suivant l'une des revendications précédentes dans lequel la gaine anti-adhérente (12) est fixée sur l'âme (1 1 ) par un film d'un adhésif souple.
8 - Rouleau suivant l'une des revendications précédentes dans lequel la gaine anti-adhérente (12) est un film en fluoroéthylènepropylène FEP thermorétractable fixé sur l'âme (1 1 ) par un élastomère silicone monocomposant.
9 - Tête de dépose (100) de fibres préimprégnées de résine comportant un rouleau (10) conforme à l'une des revendications précédentes.
10 - Procédé de réalisation d'un rouleau (10) de tête de dépose (100) de fibres préimprégnées de résine, conforme au rouleau de l'une des revendications 1 à 9, comportant les étapes de :
- préparation d'un élastomère bi-composant et de dégazage sous vide partiel dudit élastomère après mélange des composants, puis ;
remplissage d'un moule à rouleau aux formes d'une âme (1 1 ) du rouleau et de dégazage sous vide partiel dudit élastomère remplissant le moule, suivis d'une étape de fin de polymérisation de l'élastomère bi- composant dans le moule à rouleau ;
préparation d'un tube, devant former une gaine anti-adhérence (12), réalisé dans un film thermorétractable ayant des propriétés anti-adhérentes aux résines utilisées pour la réalisation des matériaux composites dont la dépose de fils est prévue ;
- application d'un adhésif (14) sur une face extérieure de l'âme (1 1 ) préalablement extraite du moule à rouleau après l'étape de fin de polymérisation de ladite âme, puis ;
retreint du tube après introduction de l'âme (1 1 ) dans ledit tube par chauffage dudit tube. 1 1 - Procédé suivant la revendication 10 dans lequel la préparation du tube devant former la gaine anti-adhérence (12) comporte un traitement de préparation au collage d'une face intérieure du tube. 12 - Procédé suivant la revendication 10 dans lequel le traitement de préparation au collage comporte une étape de gravure chimique de la face intérieure du tube.
13 - Procédé suivant l'une des revendications 10 à 12 dans lequel l'élastomère bi- composant de l'âme (1 1 ) est un silicone à deux composants polymérisable à température ambiante (RTV), dans lequel le film de la gaine antiadhérence (12) est un film en fluoroéthylènepropylène (FEP) et dans lequel l'adhésif (14) est un élastomère de silicone. 14 - Procédé suivant l'une des revendications 10 à 13 dans lequel une charge de fibres courtes de silice est mélangé à l'élastomère bi-composant lors de sa préparation et avant l'étape de dégazage sous vide partiel.
15 - Procédé suivant l'une des revendications 10 à 14 dans lequel l'étape de fin de polymérisation est réalisé en étuve à une température supérieure à la température ambiante.
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