WO2015018801A1 - Yarn laying head for producing composite parts - Google Patents

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WO2015018801A1
WO2015018801A1 PCT/EP2014/066751 EP2014066751W WO2015018801A1 WO 2015018801 A1 WO2015018801 A1 WO 2015018801A1 EP 2014066751 W EP2014066751 W EP 2014066751W WO 2015018801 A1 WO2015018801 A1 WO 2015018801A1
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WO
WIPO (PCT)
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head
son
deposited
wires
roller
Prior art date
Application number
PCT/EP2014/066751
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French (fr)
Inventor
Mickael Krzeminski
Ludovic JAGUENAUD
Jean-Christophe LOZES
Original Assignee
Airbus Defence And Space Sas
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Airbus Defence And Space Sas filed Critical Airbus Defence And Space Sas
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C70/00Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
    • B29C70/04Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
    • B29C70/28Shaping operations therefor
    • B29C70/30Shaping 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
    • B29C70/38Automated lay-up, e.g. using robots, laying filaments according to predetermined patterns
    • B29C70/382Automated fiber placement [AFP]
    • B29C70/384Fiber placement heads, e.g. component parts, details or accessories
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING 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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    • B29C70/32Shaping 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 on a rotating mould, former or core
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    • B29C70/38Automated lay-up, e.g. using robots, laying filaments according to predetermined patterns
    • B29C70/386Automated tape laying [ATL]
    • B29C70/388Tape placement heads, e.g. component parts, details or accessories

Definitions

  • the present invention relates to machines and methods for the manufacture of composite material parts, implementing son placement and / or filament winding. These methods generally consist in depositing son or sheets of pre-impregnated material 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 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.
  • the invention relates to a winding head and / or son placement suitable for machines for manufacturing composite parts and more particularly relates to machines adapted to the implementation of thermoplastic composite material.
  • the invention further relates to a method in which the thermoplastic composite materials are implemented by performing a consolidation, that is to say a step during which the desired final state of the material in terms of compaction, density and porosity of the structure of the composite material and the resulting physical properties, are obtained in situ during the placement of the son, without the requirement of a subsequent autoclave type treatment.
  • a consolidation that is to say a step during which the desired final state of the material in terms of compaction, density and porosity of the structure of the composite material and the resulting physical properties, are obtained in situ during the placement of the son, without the requirement of a subsequent autoclave type treatment.
  • a consolidation that is to say a step during which the desired final state of the material in terms of compaction, density and porosity of the structure of the composite material and the resulting physical properties
  • Such devices must be supplied with son impregnated with the thermoplastic resin, for example in the form of wicks, must bring the son to the softening temperature of the resin and deposit the son at the desired locations on the mandrel or the mold to the shape of the room.
  • These devices or winding heads which include the various necessary functions, are generally movable in one direction in the case of winding or in two directions in the case of deposit on a mold and work near the part being produced.
  • US 5700347 discloses a dispensing head of a plurality of strips impregnated with thermoplastic resin on a mold for producing a composite material part.
  • the head comprises a plurality of devices, in particular a system for controlling the tension of the strips by clutches on the reels for storing the strips to be deposited, a guide for aligning the strips without play between adjacent strips, a device for cutting the strips to length. desired band, a band heater and a cooling device.
  • the head comprises a roller which applies the strips on the mold or on previously deposited folds in an area which is heated and comprises a pressure plate, behind the roller in the direction of movement of the head relative to the mold, which exerts pressure on a surface of the workpiece and which has elements for removing heat from the heated webs before being deposited.
  • the removal roller and the pressure plate are integral with a subset of the head which is articulated to take variable positions in inclination depending on the shape of the mold.
  • Such a head is therefore voluminous and complex and moving parts subjected to heat require extensive cooling which makes the head even more complex.
  • Such a head is therefore poorly suited to the production of parts when the part has areas of difficult access. In these situations, failing to redesign the piece according to the head, it is necessary to carry out retouching or additional steps for the manufacture of the piece.
  • US 5039368 discloses a device in which thermoplastic filaments to be wound are fed from a vertically moving winding head and deposited on the surface of a mandrel.
  • the filaments previously positioned between them, are heated to soften or melt the resin and then pass under a heating compacting roller which bears against the mandrel and which is mounted with axis of rotation offset relative to an axis of orientation for to orient freely under the simple effect of the bearing on the mandrel.
  • thermoplastic material Several layers of the thermoplastic material can thus be deposited, the surface of the preceding layers being heated before the application of the son by the compacting roller.
  • Such a head for filament winding does not make it possible to control all the parameters which influence the quality of the part produced, in particular the position of the wires and the preheating and heating temperatures, and does not make it possible to produce complex shapes such as closed tanks. with small opening diameters.
  • the invention relates to a head for depositing son impregnated with a thermoplastic resin comprising a first heating system of the wires to be deposited, a second heating system arranged to heat a downstream zone on which the head must deposit the son and a compacting roller for applying in a line of contact a pressing force on the son when they are deposited on a shape corresponding to the shape of the part to be produced.
  • the compacting roller is movable along a longitudinal axis of the head, the orientation of the axis of rotation of the compacting roller, perpendicular to the longitudinal axis of the head, being fixed in a frame of the head;
  • the first heating system of the wires to be deposited comprises a first heat generator arranged on the head to raise the temperature of the wires, before they are deposited, to a value between ambient temperature and the application temperature, thus realizing a -heating, and comprises a second heat generator comprising at least one laser source as a heating energy source arranged on the head to bring heating energy substantially at the level of the contact line, the temperature of the resin during the removal of son being by this second generator raised to the melting temperature or softening of the resin;
  • a system for blowing an inert gas for example nitrogen
  • an inert gas for example nitrogen
  • the system blowing device comprising at least one blowing nozzle.
  • the compaction roll, the first heat generator and the second heat generator of the first heating system are fixed on a rigid support which is movable in translation in the direction of the longitudinal axis of the head.
  • the rigid support is movable in translation through one or more pneumatic cylinders supported on a gripping plate of the head.
  • Such a cylinder makes it possible to obtain a controlled bearing force of the compaction roller when the head is used.
  • Guides integrated or not to the pneumatic cylinders, provide if necessary linear guidance of the rigid support without allowing rotation of the plate and thus the guide roller, in particular around the longitudinal axis of the head.
  • one or more blast nozzles are attached to the rigid support so as to diffuse in the hottest region near the support line the inert gas to locally form a protective atmosphere.
  • At least one blowing nozzle is arranged so as to blow the inert gas, previously heated, in an area located downstream of the contact line, that is to say in view of the relative displacement of the head relative to a part in progress a zone of the shape or the part on which wires will be deposited.
  • the protective atmosphere formed in the zone just before the removal of the wires is achieved without prejudice to the heating of the wires to be deposited and the wires already deposited on the form.
  • At least one blast nozzle is arranged to blow an inert gas on the compaction roll into an area of said compaction roller located upstream of the nip.
  • the gas supplied after the deposition of the son is advantageously at ordinary temperature, the ambient temperature, or even cooled beforehand so that the roll is cooled by this blowing which also participates in the formation of the protective atmosphere around the line d 'support.
  • the second heating system comprises at least one heat generator, for example an infrared radiation emission ramp, arranged on the head to heat the downstream zone, and in one embodiment, also comprises at least one heat generator, for example an infrared radiation emission ramp, arranged to heat an upstream zone corresponding to a zone with respect to the line of contact on which the wires have been deposited when a part is in progress.
  • at least one heat generator for example an infrared radiation emission ramp
  • the already deposited wires on which the head will deposit wires are preheated to be brought more effectively to the temperature necessary at the level of the contact line, and the deposited wires are not subjected to too rapid cooling which allows the wires of go through a relaxation phase that participates in a consolidation of the material of the room.
  • the head comprises juxtaposition means of several son so as to form a sheet without overlap between neighboring son, these means being arranged to form the sheet before the passage of the son on the compacting roller.
  • the spacing of the yarns at the outlet of the juxtaposition means is such that, after having been subjected to the pressure exerted by the compacting roller, two adjacent threads are juxtaposed contiguously and without overlap.
  • the invention also relates to a system for producing parts made of composite material by deposition of son impregnated with a thermoplastic resin which comprises such a son deposition head impregnated with a thermoplastic resin, which comprises a shape, for example a mold or a winding mandrel, on which the son must be deposited, and which comprises a system for supplying the son impregnated with a thermoplastic resin to the head.
  • a system for producing parts made of composite material by deposition of son impregnated with a thermoplastic resin which comprises such a son deposition head impregnated with a thermoplastic resin, which comprises a shape, for example a mold or a winding mandrel, on which the son must be deposited, and which comprises a system for supplying the son impregnated with a thermoplastic resin to the head.
  • the head is carried by a robot that ensures the desired movements of the head, the robot having axes of displacement, in translation and or in rotation, controlled from the head for: maintaining the longitudinal axis of said head substantially perpendicular to an osculating plane of the surface of the form, mold or winding mandrel, or of the part being produced at the location of the line of contact;
  • Such a robot for example with five degrees of freedom, makes it possible to produce pieces of complex shapes with important curvatures such as cylindrical tanks with hemispherical bottoms having openings of small diameter.
  • the system for supplying threads impregnated with thermoplastic resins comprises a system for tensioning the threads to be deposited provided with a catch-up run.
  • variations in wire lengths between the wire supply coils and the compaction roller are compensated by maintaining the desired voltage for the wires.
  • the tensioning system of the yarns to be deposited ensures, at the level of the compaction roller upstream of the nip following the direction of movement of the yarns, a substantially constant tension of the yarns between 20N and 50N so as to obtain a deposit son with good health matter.
  • Figure 1 very schematically and simplified a system for producing parts of thermoplastic composite material by deposition son impregnated with a thermoplastic resin
  • FIG. 2 is a detail view of an embodiment of a deposition head son impregnated with thermoplastic resin.
  • the different parts are not necessarily represented on the same scale.
  • Figure 2 shows a head 10 of son deposition 50 impregnated with a thermoplastic resin.
  • the main elements of the head are represented without necessarily being represented the cables and pipes that are necessary for certain elements to supply energy from remote sources or in relation to sensors useful for the control of the head.
  • the head 10 is a part of a system 100 for producing parts made of a thermoplastic composite material, schematized in FIG. 1, which comprises, in addition to the head 10, a supply system 60 made of wires 50 of the head 10, a robot 70 of the positioning and a form 80 on which are deposited the son 50 by the head 10.
  • the form 80 is a mandrel on which is formed a filament winding.
  • the son comprise long fibers, mineral or organic, commonly used in the production of parts made of composite materials.
  • the yarns are in practice packaged in the form of single yarns, tows or webs having a plurality of yarns.
  • the thermoplastic resin is a resin which has the characteristic of being hard at room temperature and up to the expected temperature values in use for the part to be produced.
  • the resin ensures in practice the cohesion of the son of the room between them and gives the piece an important part of its rigidity.
  • the thermoplastic resin also has the property of softening or melting above a certain temperature, which depends on the resin in question, and to regain its hardness characteristics when the temperature is lowered again.
  • each wire deposited by the head 10 follows a path from a first end of a functional chain from a wire distributor, for example large capacity coils of the supply system 60, which can be arranged in a rack, and capable of continuously delivering long lengths of son, to an end end where the son will separate from the head 10 and be deposited on the form 80, for example a mold or a mandrel, the piece to realize.
  • a wire distributor for example large capacity coils of the supply system 60, which can be arranged in a rack, and capable of continuously delivering long lengths of son, to an end end where the son will separate from the head 10 and be deposited on the form 80, for example a mold or a mandrel, the piece to realize.
  • the head 10 of Figure 2 it comprises a plate 1 1 by which said head 10 is fixed to the robot 70.
  • the head 10 comprises at a free end opposite the plate 1 1 a compacting roller 12.
  • the compacting roller 10 determines a contact line corresponding to the theoretical line of a rolling surface of said compacting roller which is in contact with the piece in progress.
  • the nip is parallel to an axis of rotation of the compaction roller.
  • the head 10 comprises guide means, not visible in FIG. 2, for conveying the son 50 impregnated with the thermoplastic resin towards the compaction roller 10.
  • a plurality of threads can be packaged in locks or in a sheet , are conveyed to the compaction roller 12 to be simultaneously deposited on the form 80 so as to cover a larger surface per pass of the head on said form.
  • the head 10 also comprises means for adjusting the relative positions of the plurality of son, before their application on the form 80, so that the son are juxtaposed without play or overlap between neighboring sons.
  • Such means for adjusting the relative positions of the threads consist, for example, of a wire guide comb whose characteristics are adapted to the wires used.
  • a first wire heating system comprises a first heat generator 13 fixed to the head 10 to preheat the wires 50, before the wires arrive on the compacting roller, and so as to raise the temperature of said wires to a minimum.
  • first desired temperature of the impregnating resin son temperature between room temperature and the softening / melting temperature of the resin.
  • the heat generator 13 is for example a source of infrared radiation.
  • the first heating system also comprises a second heat generator 14 providing a localized energy near the contact line.
  • the second heat generator 14 is arranged on the head to bring the energy by a downstream side AV of a workpiece in progress, the downstream side AV being defined with respect to the relative movement of the head 10 relative to the workpiece , the head moving from upstream AM downstream AV.
  • the second heat generator 14 is configured to carry the wires at the desired softening / melting temperature of the impregnating resin just prior to the passage of the compaction roller.
  • the second heat generator 14 comprises at least one laser source whose beam is directed substantially in the direction of the line of contact.
  • a second heating system of the head 10 comprises at least one heat generator 16a, 16b fixed on the head 10 for heating the wires deposited on the form 80.
  • a heat generator 16a downstream AV compacting roller 12 and close to the contact line performs a preheating son deposited on the form 80, for example during a previous passage of the head 10.
  • the son on the form 80 are thus brought to a temperature close to that of the son to be deposited after preheating.
  • the heat generator 16a is for example a source of infrared radiation.
  • An upstream heat generator 16b AM compacting roller 12 and close to the contact line provides energy in thermal form to the son deposited on the form 80.
  • the heat generator 16b is for example a source of infrared radiation.
  • the head 10 also comprises one or more blowing nozzles 17a, 17b of a system for blowing an inert gas such as nitrogen.
  • blowing nozzles 17a, 17b are oriented substantially towards the line of contact so that the inert gas locally maintains an inert atmosphere which avoids oxidation of the impregnated threads brought to the softening / melting temperature of the resin.
  • At least one blast nozzle 17a is attached to the head 10 to blow the inert gas from the downstream AV of the compacting roller 12 towards the nip.
  • the gas is preheated before being blown and participates in preheating the wires before the compacting roller passes.
  • At least one blast nozzle 17b is attached to the head 10 to blow the inert gas from the upstream AM of the compaction roller 12 to said compaction roller.
  • the gas is cooled before being blown and provides cooling of the compaction roll 10 which is subjected to a large heat flow.
  • the compacting roller is fixed on a rigid support 20 which is mobile in translation through at least one pneumatic jack 21, whose axis of displacement is parallel to a longitudinal axis 22 of the head 10, which longitudinal axis is perpendicular. to the axis of rotation of the compaction roller
  • At least one pneumatic jack 21 is supported on the plate 1 1 so as to exert a pressing force on the shape 80 at the compaction roller 12, and regulate this support force to a value suitable for the process, generally included between 40 and 140 DaN.
  • Guide rails or other means ensure the linear movement of the displacement of the compaction roller 12 so as to take up torsional forces on said compacting roller and to prohibit a modification of the orientation of the axis of rotation 5 of said compacting roller with respect to the plate 1 1.
  • the compacting roller 12, the heat generators 13, 14, 16a, 16b and the blowing nozzles 17a, 17b are fixed to the rigid support 20 so as to preserve during the operations of removing wires from fixed positions and orientations relative to the contact line of the compaction roller 12.
  • An exemplary implementation of the system 100 is described here in the case of producing a piece of thermoplastic composite material by winding son on a mandrel.
  • An example of such a part is a tank having a cylindrical central section of circular section whose ends are closed by funds having a spherical cap shape, an axial orifice remaining open on each bottom.
  • the production of such a part requires complex movements of the head 10, which makes the deposition of the son on the mandrel in rotation, because of the shapes of the bottoms and also because several layers of son are deposited with different orientations by relative to an axis of rotation of the mandrel.
  • the head 10 is mounted on a robot 70 with five axes of freedom that allow the necessary movements and rotations.
  • the threads are deposited on the mandrel, including when one or more layers of thread have already been deposited on said mandrel and that the threads are deposited on layers of already deposited threads.
  • This shortcut of language is justified by the fact that the shape of the mandrel is not significantly affected by the layers of son already deposited and that in any case the knowledge of the progress of the process of deposition of the wires , that is to say, the knowledge of the number of layers of son deposited at a point of the part in progress, makes it possible to take into account the dimensional variations of the mandrel in a position control system of the head 10 by the robot 70.
  • the part is made from son impregnated with a thermoplastic matrix.
  • Such yarns are, for example, yarns comprising carbon or glass fibers impregnated with a polyamide resin or with a poly (ether ether ketone) resin.
  • Other pairs of fibers / resin are possible as long as the resin is a thermoplastic resin and the properties of the fibers allow, without deterioration, their temperature is increased to at least the softening / melting temperature of the resin used.
  • the wires 50 are stored on reels of the supply system
  • the coils are deported on the robot 70 or on supports attached to a booth. coils, the son being guided to the head 10, for example by pulleys.
  • the supply system 60 further comprises a tensioning system son to deposit provided with a scroll retrieval system.
  • Said thread tensioning system is of any type known to ensure a substantially constant tension force of the son 50 until the deposit of said son on the mandrel, that is to say up to the compacting roller.
  • said system also comprises a system for refacing the wires so that a reduction in the length of the path of said wires, for example by a retreat of the compacting wheel during the rotation of the mandrel, is compensated without affecting the force. of tension exerted on the son.
  • the traction exerted on the yarns during deposition influences the quality of compaction and the way in which the composite material obtained by the juxtaposition of the yarns and the superposition of the yarn layers is consolidated.
  • the tension of the son is advantageously between 20N and 50N, tests for determining a preferred value of the voltage depending on the type of son used.
  • several threads are supplied to the head 10.
  • the various threads 50 are then positioned at the head to form a web.
  • the positioning of the ply yarns is carried out in a known manner by guiding elements, for example pulleys, and a terminal comb, placed closer to the compacting roller 12, which delivers the yarns juxtaposed to each other without play or overlap. between neighboring wires when the wires have been deposited.
  • the path followed by the yarn or yarns continues on the cylindrical outer surface of the compacting roller 12 to the support line where the said yarn (s) separate from the compacting roller and are deposited on the mandrel under the effect of the relative displacement of the head 10 relative to said mandrel.
  • the compaction roller 12 exerts a pressing force on the predefined mandrel, in the head 10 described defined by the characteristics of the pneumatic cylinder 21 and the pressure of a gas held in said cylinder.
  • This force determines a pressure which is exerted on the son or son being deposited by the head and which, except for a first layer, are deposited on the layers of son already deposited on the mandrel so as to ensure a compacting of the layers of successive sons.
  • the axis of rotation of the compacting roller is maintained perpendicular to the path followed by the head on the mandrel.
  • the compaction roll having, by construction, a fixed orientation in a reference frame of the head, the robot 70 provides said desired orientation of the compacting roller by a suitable positioning of the head.
  • the pressing force on the mandrel is adjustable according to the local conditions of the surface on which the threads are deposited, for example the local curvature (s) of the surface, for example the number of layers on which are deposited the threads ...
  • the son or wires are subjected to the effect of the first heat generator 13, here an infrared ramp, of the first heating system.
  • the infrared ramp produces a relatively diffuse radiation which ensures a homogeneous heating of the wires.
  • the power of said infrared ramp is adapted according to a part of the running speed of the son, in practice the winding speed in the example described, and the temperature at which it is desired to wear the son before the roll of compaction. This temperature is a function of the softening / melting temperature at which the thermoplastic resin of the yarns must be worn. to obtain during compaction the consolidation of the composite material. This temperature is a temperature, as much as possible constant and in this case controlled by a temperature controller, between room temperature and the degradation temperature of the resin.
  • the power of the first heat generator 13 is regulated according to measured parameters such as the temperature of the son.
  • the wire By thus preheating the wires before the compaction roller, on the one hand the wire proves less rigid to approach a winding phase of the son on the compacting roller and on the other hand the energy necessary to bring the temperature of the wire at the dispense temperature is reduced and better defined.
  • the wires 50 to be deposited and the already deposited wires are at the line of contact, where the first are deposited on the second, then subjected to heating at the softening / melting temperature by the second heat generator 14, a Laser source, the first heating system.
  • Said second generator makes it possible to provide a relatively high energy in a localized manner, very close to the contact line, so that the desired softening / melting temperature is reached very locally and precisely in the zone where the pressure is exerted by the roller compaction s to apply the son 50 being deposited on the already deposited son. It is thus avoided to excessively heat areas that do not need to be heated and for which the temperatures reached that may exceed 300 ° C would be likely to cause these damages.
  • the blast nozzle 17a sends a heated inert gas, for example nitrogen, from the downstream AV of the compaction roller 12 towards the nip, so that the hottest zone is maintained in a substantially inert atmosphere and avoids high temperature oxidation of the materials.
  • a heated inert gas for example nitrogen
  • the heating of the blown gas contributes to the local heating of the son and especially avoids cooling of the preheated son to a stage where it is desired to increase the temperature of said son.
  • the blast nozzle 17b blows the fresh inert gas, if not cooled, from the upstream AM of the compaction roller 12 and towards said compacting roller.
  • This blowing has the effect on the one hand of cooling said compaction roller which is subjected throughout the operating time of the head 10 to the energy supply of the second heat generator 14 and on the other hand to maintain the inert atmosphere in the area where the wires are laid.
  • the wires that have just been deposited by the head 10 and those on which said wires have just been deposited are exposed to the radiation of the heat generator 16b upstream AM of the compaction roller 12 and to near the line of contact.
  • the pressing force of the compacting roller is maintained at the desired level by the pneumatic cylinder or cylinders 21.
  • the robot is controlled to continuously adjust an orientation of the longitudinal axis (22) of the head substantially perpendicular to an osculator plane of the mandrel at the line of contact and to maintain a distance between the plate 1 1 of the head and the chuck compatible with a range of action of the at least one jack which regulates the support force.
  • the depositing head of the invention has the advantage of grouping all the means necessary for compacting and in-situ consolidation of the thermoplastic composite material during the deposition of the son and to move the bulky elements of the system out of the zone. where the deposit is made.
  • the head illustrated in Figure 2 shows an embodiment whose dimensions allow the realization, on a mandrel, a tank with a diameter as small as 300 mm, with hemispherical bottoms with axial holes of 85 mm, and with minimum winding angles of 19 ° to the axis.

Abstract

A head (10) for laying yarns (50) impregnated with a thermoplastic resin comprises a first system of heating the yarns to be laid, a second heating system for heating a downstream zone (AV) on which the head (10) must lay the yarns and a compacting roller (12) intended to apply, along a line of contact, a bearing force on the yarns (50) during the laying thereof on a form. The compacting roller (12) is movable along a longitudinal axis (22) of the head, the axis of rotation (15) of the compacting roller being fixed in a reference frame of the head. The first heating system comprises a heat generator (13) for raising the temperature of the yarns (50), before the laying thereof and comprises a second heat generator (14) with a laser source for providing heating energy substantially at the line of contact. A system for blowing an inert gas is arranged on the head in order to render the environment of the yarns inert in the vicinity of the line of contact.

Description

TETE DE DEPOSE DE FILS POUR LA REALISATION DE PIECES EN  HEAD FOR REMOVING THREADS FOR REALIZING WORKPIECES
MATERIAU COMPOSITE  COMPOSITE MATERIAL
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. Ces procédés consistent globalement à déposer des fils ou des nappes de matériau pré-imprégné 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. The present invention relates to machines and methods for the manufacture of composite material parts, implementing son placement and / or filament winding. These methods generally consist in depositing son or sheets of pre-impregnated material 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.
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.  It will be understood here and in the remainder of the description that the 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.
Plus précisément, l'invention concerne une tête de bobinage et/ou de placement de fils adaptée aux machines de fabrication de pièces en matériaux composites et se rapporte plus particulièrement aux machines adaptées à la mise en œuvre de matériau composite thermoplastique. More specifically, the invention relates to a winding head and / or son placement suitable for machines for manufacturing composite parts and more particularly relates to machines adapted to the implementation of thermoplastic composite material.
L'invention concerne en outre un procédé dans lequel les matériaux composites thermoplastiques sont mis en œuvre en réalisant une consolidation, c'est-à-dire une étape au cours de laquelle l'état final souhaité du matériau en terme de compactage, de densité et de porosité de la structure du matériau composite et les propriétés physiques résultantes, sont obtenues in situ lors du placement des fils, sans l'exigence d'un traitement ultérieure de type autoclave. Dans le domaine du placement de fil, il est connu de réaliser des dispositifs de placement qui permettent de placer sur un mandrin ou un moule des fils imprégnés d'une résine thermoplastique. The invention further relates to a method in which the thermoplastic composite materials are implemented by performing a consolidation, that is to say a step during which the desired final state of the material in terms of compaction, density and porosity of the structure of the composite material and the resulting physical properties, are obtained in situ during the placement of the son, without the requirement of a subsequent autoclave type treatment. In the field of wire placement, it is known to provide placement devices that allow to place on a mandrel or a mold son impregnated with a thermoplastic resin.
De tels dispositifs doivent être approvisionnés en fils imprégnés de la résine thermoplastique, par exemple sous la forme de mèches, doivent amener les fils à la température de ramollissement de la résine et déposer les fils aux emplacements voulus sur le mandrin ou le moule à la forme de la pièce.  Such devices must be supplied with son impregnated with the thermoplastic resin, for example in the form of wicks, must bring the son to the softening temperature of the resin and deposit the son at the desired locations on the mandrel or the mold to the shape of the room.
Ces dispositifs ou têtes de bobinage, qui regroupent les diverses fonctions nécessaires, sont généralement mobiles suivant une direction dans le cas de bobinage ou dans deux directions dans le cas du dépôt sur une moule et travaillent à proximité de la pièce en cours de réalisation.  These devices or winding heads, which include the various necessary functions, are generally movable in one direction in the case of winding or in two directions in the case of deposit on a mold and work near the part being produced.
Le document US 5700347 décrit une tête de dépose d'une pluralité de bandes imprégnées de résine thermoplastique sur un moule pour réaliser une pièce en matériau composite. La tête comporte plusieurs dispositifs, notamment un système de contrôle de tension des bandes par des embrayages sur les bobines de stockage des bandes à déposer, un guide pour aligner les bandes sans jeu entre des bandes juxtaposées, un dispositif pour couper les bandes à la longueur souhaitée d'une bande, un dispositif de chauffage des bandes et un dispositif de refroidissement.  US 5700347 discloses a dispensing head of a plurality of strips impregnated with thermoplastic resin on a mold for producing a composite material part. The head comprises a plurality of devices, in particular a system for controlling the tension of the strips by clutches on the reels for storing the strips to be deposited, a guide for aligning the strips without play between adjacent strips, a device for cutting the strips to length. desired band, a band heater and a cooling device.
Pour assurer l'application des bandes, la tête comporte un rouleau qui applique les bandes sur le moule ou sur des plis déposés antérieurement dans une zone qui est chauffée et comporte un plateau presseur, en arrière du rouleau dans le sens du déplacement de la tête par rapport au moule, qui exerce une pression sur une surface de la pièce et qui comporte des éléments pour évacuer la chaleur des bandes chauffées avant d'être déposées.  To ensure the application of the strips, the head comprises a roller which applies the strips on the mold or on previously deposited folds in an area which is heated and comprises a pressure plate, behind the roller in the direction of movement of the head relative to the mold, which exerts pressure on a surface of the workpiece and which has elements for removing heat from the heated webs before being deposited.
Dans une telle tête le rouleau de dépose et le plateau presseur sont solidaires d'un sous-ensemble de la tête qui est monté articulé pour prendre des positions variables en inclinaison en fonction de la forme du moule.  In such a head the removal roller and the pressure plate are integral with a subset of the head which is articulated to take variable positions in inclination depending on the shape of the mold.
Une telle tête s'avère donc volumineuse et complexe et les parties mobiles soumises à la chaleur nécessitent un refroidissement poussé qui rend la tête encore plus complexe. Une telle tête est donc mal adaptée à la réalisation de pièces lorsque la pièce présente des zones d'accès difficile. Dans ces situations, à défaut de reconcevoir la pièce en fonction de la tête, il est nécessaire de procéder à des retouches ou à des étapes complémentaires pour la fabrication de la pièce. Such a head is therefore voluminous and complex and moving parts subjected to heat require extensive cooling which makes the head even more complex. Such a head is therefore poorly suited to the production of parts when the part has areas of difficult access. In these situations, failing to redesign the piece according to the head, it is necessary to carry out retouching or additional steps for the manufacture of the piece.
Le document US 5039368 décrit un dispositif dans lequel des filaments thermoplastiques à bobiner sont alimentés à partir d'une tête de bobinage se déplaçant verticalement et déposés à la surface d'un mandrin. US 5039368 discloses a device in which thermoplastic filaments to be wound are fed from a vertically moving winding head and deposited on the surface of a mandrel.
Les filaments, préalablement positionnés entre eux, sont chauffés pour ramollir ou fondre la résine et passent ensuite sous un rouleau de compactage chauffant qui est en appui contre le mandrin et qui est monté avec axe de rotation déporté par rapport à un axe d'orientation pour s'orienter librement sous le simple effet du roulement sur le mandrin.  The filaments, previously positioned between them, are heated to soften or melt the resin and then pass under a heating compacting roller which bears against the mandrel and which is mounted with axis of rotation offset relative to an axis of orientation for to orient freely under the simple effect of the bearing on the mandrel.
Plusieurs couches du matériau thermoplastique peuvent être ainsi déposées, la surface des couches précédentes étant réchauffée avant l'application des fils par le rouleau de compactage.  Several layers of the thermoplastic material can thus be deposited, the surface of the preceding layers being heated before the application of the son by the compacting roller.
Une telle tête pour enroulement filamentaire ne permet pas de maîtriser tous les paramètres qui influencent la qualité de la pièce réalisée, notamment la position des fils et les températures de préchauffage et de chauffage, et ne permet pas de réaliser des formes complexes comme des réservoirs fermés à faibles diamètres d'ouverture.  Such a head for filament winding does not make it possible to control all the parameters which influence the quality of the part produced, in particular the position of the wires and the preheating and heating temperatures, and does not make it possible to produce complex shapes such as closed tanks. with small opening diameters.
Dans ces cas de formes complexes, les exigences conduisent à des têtes de placement de fils volumineuses et à des contraintes d'évitement des collisions entre la tête de placement et la pièce en cours de fabrication ou son mandrin telles que d'autres paramètres de dépose, tension du fil, angles, pression..., doivent être dés-optimisés et ou ralentissent le processus de dépose des fils et/ou limitent les dimensions des pièces réalisables. L'invention concerne une tête de dépose de fils imprégnés d'une résine thermoplastique comportant un premier système de chauffage des fils à déposer, un second système de chauffage agencé pour réchauffer une zone aval sur laquelle la tête doit déposer les fils et un rouleau de compactage destiné à appliquer suivant une ligne de contact une force d'appui sur les fils lors de leurs dépose sur une forme correspondant à la forme de la pièce à réaliser. In these cases of complex shapes, the requirements lead to voluminous wire placement heads and collision avoidance constraints between the placement head and the workpiece or its mandrel such as other removal parameters. , thread tension, angles, pressure ..., must be de-optimized and slow down the thread removal process and / or limit the dimensions of the workpieces. The invention relates to a head for depositing son impregnated with a thermoplastic resin comprising a first heating system of the wires to be deposited, a second heating system arranged to heat a downstream zone on which the head must deposit the son and a compacting roller for applying in a line of contact a pressing force on the son when they are deposited on a shape corresponding to the shape of the part to be produced.
En outre, dans la tête de l'invention :  In addition, in the head of the invention:
- le rouleau de compactage est mobile suivant un axe longitudinal de la tête, l'orientation de l'axe de rotation du rouleau de compactage, perpendiculaire à l'axe longitudinal de la tête, étant fixe dans un référentiel de la tête ;  - The compacting roller is movable along a longitudinal axis of the head, the orientation of the axis of rotation of the compacting roller, perpendicular to the longitudinal axis of the head, being fixed in a frame of the head;
- le premier système de chauffage des fils à déposer comporte un premier générateur de chaleur agencé sur la tête pour élever la température des fils, avant leurs dépose, à une valeur comprise entre la température ambiante et la température d'application, réalisant ainsi un pré-chauffage, et comporte un second générateur de chaleur comportant au moins une source laser comme source d'énergie de chauffage agencée sur la tête pour apporter l'énergie de chauffage sensiblement au niveau de la ligne de contact, la température de la résine lors de la dépose de fils étant par ce second générateur élevée jusqu'à la température de fusion ou ramollissement de la résine ;  the first heating system of the wires to be deposited comprises a first heat generator arranged on the head to raise the temperature of the wires, before they are deposited, to a value between ambient temperature and the application temperature, thus realizing a -heating, and comprises a second heat generator comprising at least one laser source as a heating energy source arranged on the head to bring heating energy substantially at the level of the contact line, the temperature of the resin during the removal of son being by this second generator raised to the melting temperature or softening of the resin;
- un système de soufflage d'un gaz inerte, par exemple de l'azote, est agencé sur la tête de sorte à rendre inerte l'environnement des fils à proximité de la ligne de contact par un appauvrissement du milieu en oxygène, le système de soufflage comportant au moins une buse de soufflage.  a system for blowing an inert gas, for example nitrogen, is arranged on the head so as to render the environment of the wires near the contact line inert by a depletion of the oxygen medium, the system blowing device comprising at least one blowing nozzle.
Il est ainsi obtenu une tête de dimension particulièrement compacte et qui apporte les énergies de chauffage de manière localisée pour assembler les fils imprégnés de résine en élevant leur température de manière précise.  It is thus obtained a head of particularly compact size and which provides the heating energy in a localized way to assemble the resin impregnated son by raising their temperature accurately.
Dans une forme de réalisation, le rouleau de compactage, le premier générateur de chaleur et le second générateur de chaleur du premier système de chauffage sont fixés sur un support rigide qui est mobile en translation suivant la direction de l'axe longitudinal de la tête.  In one embodiment, the compaction roll, the first heat generator and the second heat generator of the first heating system are fixed on a rigid support which is movable in translation in the direction of the longitudinal axis of the head.
Ainsi les positions relatives des éléments fixés au support rigide ne sont pas modifiées et il en résulte en particulier que la chaleur apportée par les différents générateurs de chaleur reste toujours diffusée ou apportée avec précision en particulier par rapport au rouleau de compactage et à la ligne de contact. Dans une forme de réalisation, le support rigide est mobile en translation par l'intermédiaire d'un ou de plusieurs vérins pneumatiques prenant appui sur une platine de préhension de la tête. Thus the relative positions of the elements fixed to the rigid support are not modified and it results in particular that the heat provided by the various heat generators is always diffused or accurately provided particularly with respect to the compacting roller and the line of compression. contact. In one embodiment, the rigid support is movable in translation through one or more pneumatic cylinders supported on a gripping plate of the head.
Un tel vérin permet d'obtenir une force d'appui contrôlée du rouleau de compactage lorsque la tête est utilisée.  Such a cylinder makes it possible to obtain a controlled bearing force of the compaction roller when the head is used.
Des guides, intégrés ou non aux vérins pneumatiques, assurent au besoin le guidage linéaire du support rigide sans autoriser de mouvement de rotation de la platine et donc du rouleau de guidage, en particulier autour de l'axe longitudinal de la tête.  Guides, integrated or not to the pneumatic cylinders, provide if necessary linear guidance of the rigid support without allowing rotation of the plate and thus the guide roller, in particular around the longitudinal axis of the head.
Dans une forme de réalisation, une ou plusieurs buses de soufflage sont fixées au support rigide de sorte à diffuser dans la région la plus chaude près de la ligne d'appui le gaz inerte pour former localement une atmosphère protectrice.  In one embodiment, one or more blast nozzles are attached to the rigid support so as to diffuse in the hottest region near the support line the inert gas to locally form a protective atmosphere.
Avantageusement au moins une buse de soufflage est agencée de sorte à souffler le gaz inerte, préalablement chauffé, dans une zone située en aval de la ligne de contact, c'est-à-dire compte tenu du déplacement relatif de la tête par rapport à une pièce en cours de réalisation une zone de la forme ou de la pièce sur laquelle vont être déposés des fils.  Advantageously, at least one blowing nozzle is arranged so as to blow the inert gas, previously heated, in an area located downstream of the contact line, that is to say in view of the relative displacement of the head relative to a part in progress a zone of the shape or the part on which wires will be deposited.
Ainsi l'atmosphère protectrice formée dans la zone juste avant la dépose des fils est réalisée sans préjudice du chauffage réalisé des fils à déposer et des fils déjà déposés sur la forme.  Thus, the protective atmosphere formed in the zone just before the removal of the wires is achieved without prejudice to the heating of the wires to be deposited and the wires already deposited on the form.
Dans une forme de réalisation, au moins une buse de soufflage est agencée de sorte à souffler un gaz inerte sur le rouleau de compactage dans une zone dudit rouleau de compactage située en amont par rapport à la ligne de contact. Dans ce cas le gaz apporté après le dépôt des fils est avantageusement à température ordinaire, la température ambiante, voire refroidi préalablement de sorte que le rouleau est refroidi par ce soufflage qui participe également à la formation de l'atmosphère protectrice autour de la ligne d'appui.  In one embodiment, at least one blast nozzle is arranged to blow an inert gas on the compaction roll into an area of said compaction roller located upstream of the nip. In this case the gas supplied after the deposition of the son is advantageously at ordinary temperature, the ambient temperature, or even cooled beforehand so that the roll is cooled by this blowing which also participates in the formation of the protective atmosphere around the line d 'support.
Le second système de chauffage comporte au moins un générateur de chaleur, par exemple une rampe d'émission de rayonnement infrarouge, agencée sur la tête pour échauffer la zone aval, et dans une forme de réalisation, comporte également au moins un générateur de chaleur, par exemple une rampe d'émission de rayonnement infrarouge, agencée pour réchauffer une zone amont correspondant à une zone par rapport à la ligne de contact sur laquelle les fils ont été déposés lorsqu'une pièce est en cours de réalisation. The second heating system comprises at least one heat generator, for example an infrared radiation emission ramp, arranged on the head to heat the downstream zone, and in one embodiment, also comprises at least one heat generator, for example an infrared radiation emission ramp, arranged to heat an upstream zone corresponding to a zone with respect to the line of contact on which the wires have been deposited when a part is in progress.
Ainsi les fils déjà déposés sur lesquelles la tête va déposer des fils sont préchauffés pour être amenés plus efficacement à la température nécessaire au niveau de la ligne de contact, et les fils déposés ne sont pas soumis à un refroidissement trop rapide qui permet aux fils de passer par une phase de relaxation qui participe à une consolidation du matériau de la pièce.  Thus the already deposited wires on which the head will deposit wires are preheated to be brought more effectively to the temperature necessary at the level of the contact line, and the deposited wires are not subjected to too rapid cooling which allows the wires of go through a relaxation phase that participates in a consolidation of the material of the room.
Suivant les besoins, la tête comporte des moyens de juxtaposition de plusieurs fils de sorte à former une nappe sans recouvrement entre des fils voisins, ces moyens étant agencés pour former la nappe avant le passage des fils sur le rouleau de compactage.  As required, the head comprises juxtaposition means of several son so as to form a sheet without overlap between neighboring son, these means being arranged to form the sheet before the passage of the son on the compacting roller.
Il est ainsi possible de déposer au cours d'une passe une nappe de fil pouvant atteindre sensiblement la largeur du rouleau de compactage. It is thus possible to deposit during a pass a sheet of wire that can reach substantially the width of the compaction roller.
L'écartement des fils à la sortie des moyens de juxtaposition, défini par exemple par la forme d'un peigne qui guide les fils, est tel qu'après avoir été soumis à la pression exercée par le rouleau de compactage, deux fils voisins sont juxtaposés de manière jointive et sans recouvrement. The spacing of the yarns at the outlet of the juxtaposition means, defined for example by the shape of a comb which guides the threads, is such that, after having been subjected to the pressure exerted by the compacting roller, two adjacent threads are juxtaposed contiguously and without overlap.
L'invention concerne également un système pour la réalisation de pièces en matériau composite par dépôt de fils imprégnés d'une résine thermoplastique qui comporte une telle tête de dépose de fils imprégné d'une résine thermoplastique, qui comporte une forme, par exemple un moule ou un mandrin de bobinage, sur laquelle doivent être déposés les fils, et qui comporte un système d'apport des fils imprégnés d'une résine thermoplastique à la tête. Ainsi le système bénéficie des avantages de la tête et en particulier d'une compacité de réalisation rendue possible par l'agencement des éléments de la tête qui permet de réaliser des pièces dont les formes ne sont pas réalisables par dépôt de fils avec les têtes connues.  The invention also relates to a system for producing parts made of composite material by deposition of son impregnated with a thermoplastic resin which comprises such a son deposition head impregnated with a thermoplastic resin, which comprises a shape, for example a mold or a winding mandrel, on which the son must be deposited, and which comprises a system for supplying the son impregnated with a thermoplastic resin to the head. Thus, the system benefits from the advantages of the head and in particular a compactness of realization made possible by the arrangement of the elements of the head which makes it possible to produce parts whose shapes are not feasible by deposition of the wires with the known heads. .
Dans une forme de réalisation du système, la tête est portée par un robot qui assure les déplacements souhaités de la tête, le robot comportant des axes de déplacement, en translation et ou en rotation, contrôlés de la tête pour : - maintenir l'axe longitudinal de ladite tête sensiblement perpendiculaire à un plan osculateur de la surface de la forme, moule ou mandrin de bobinage, ou de la pièce en cours de réalisation à l'emplacement de la ligne de contact ;In one embodiment of the system, the head is carried by a robot that ensures the desired movements of the head, the robot having axes of displacement, in translation and or in rotation, controlled from the head for: maintaining the longitudinal axis of said head substantially perpendicular to an osculating plane of the surface of the form, mold or winding mandrel, or of the part being produced at the location of the line of contact;
- maintenir un point de référence d'une platine de préhension de la tête à une distance sensiblement constante de la surface du moule ou du mandrin de bobinage ou de la pièce en cours de réalisation à l'emplacement de la ligne de contact ; maintain a reference point of a gripping plate of the head at a substantially constant distance from the surface of the mold or of the winding mandrel or part being produced at the location of the line of contact;
orienter un axe de rotation du rouleau de compactage en fonction de la direction de dépose souhaité pour les fils afin d'assurer un roulement dudit rouleau de compactage sans glissement sensible.  orienting an axis of rotation of the compacting roller according to the desired direction of removal for the yarns to ensure a rolling of said compacting roller without appreciable slippage.
Un tel robot, par exemple avec cinq degrés de liberté, permet de réaliser des pièces de formes complexes avec des courbures importantes comme des réservoirs cylindriques avec des fonds hémisphériques présentant des ouvertures de petit diamètre.  Such a robot, for example with five degrees of freedom, makes it possible to produce pieces of complex shapes with important curvatures such as cylindrical tanks with hemispherical bottoms having openings of small diameter.
Avantageusement, le système d'apport de fils imprégnés de résines thermoplastiques comporte un système de mise en tension des fils à déposer pourvu d'un rattrapage de défilement. Ainsi les variations de longueurs de fils entre les bobines d'approvisionnement en fils et le rouleau de compactage sont compensées en maintenant la tension souhaitée pour les fils.  Advantageously, the system for supplying threads impregnated with thermoplastic resins comprises a system for tensioning the threads to be deposited provided with a catch-up run. Thus variations in wire lengths between the wire supply coils and the compaction roller are compensated by maintaining the desired voltage for the wires.
Le système de mise en tension des fils à déposer assure, au niveau du rouleau de compactage en amont de la ligne de contact suivant le sens de déplacement des fils, une tension des fils sensiblement constante comprise entre 20N et 50N de sorte à obtenir un dépôt des fils avec une bonne santé matière. La description détaillée d'un mode de réalisation est fait en références aux figures qui représentent de manière non limitative :  The tensioning system of the yarns to be deposited ensures, at the level of the compaction roller upstream of the nip following the direction of movement of the yarns, a substantially constant tension of the yarns between 20N and 50N so as to obtain a deposit son with good health matter. The detailed description of an embodiment is made with reference to the figures which show in a nonlimiting manner:
figure 1 : de manière très schématique et simplifiée un système pour la réalisation de pièces en matériau composite thermoplastique par dépôt de fils imprégnés d'une résine thermoplastique ;  Figure 1: very schematically and simplified a system for producing parts of thermoplastic composite material by deposition son impregnated with a thermoplastic resin;
figure 2 : une vue de détail d'un exemple de réalisation d'une tête de dépôt de fils imprégnés de résine thermoplastique. Sur les dessins, les différentes parties ne sont pas nécessairement représentées à la même échelle. Figure 2 is a detail view of an embodiment of a deposition head son impregnated with thermoplastic resin. In the drawings, the different parts are not necessarily represented on the same scale.
La figure 2 présente une tête 10 de dépose de fils 50 imprégnés d'une résine thermoplastique. Sur la vue de la figure 2 les principaux éléments de la tête sont représentés sans que ne soient nécessairement représentés les câbles et tuyaux qui sont nécessaires à certains éléments pour les alimenter en énergie depuis des sources déportées ou en relations avec des capteurs utiles au contrôle de la tête. Figure 2 shows a head 10 of son deposition 50 impregnated with a thermoplastic resin. In the view of Figure 2 the main elements of the head are represented without necessarily being represented the cables and pipes that are necessary for certain elements to supply energy from remote sources or in relation to sensors useful for the control of the head.
La tête 10 est une partie d'un système 100 de réalisation de pièces en matériau composite thermoplastique, schématisé sur la figure 1 , qui comporte, outre la tête 10, un système d'approvisionnement 60 en fils 50 de la tête 10, un robot 70 de positionnement et une forme 80 sur laquelle sont déposées les fils 50 par la tête 10. Dans l'exemple schématisé sur la figure 1 , la forme 80 est un mandrin sur lequel est réalisé un enroulement filamentaire.  The head 10 is a part of a system 100 for producing parts made of a thermoplastic composite material, schematized in FIG. 1, which comprises, in addition to the head 10, a supply system 60 made of wires 50 of the head 10, a robot 70 of the positioning and a form 80 on which are deposited the son 50 by the head 10. In the example shown schematically in Figure 1, the form 80 is a mandrel on which is formed a filament winding.
Dans le cas présent les fils comportent des fibres longues, minérales ou organiques, communément mises en œuvre dans la réalisation de pièces en matériaux composites.  In this case the son comprise long fibers, mineral or organic, commonly used in the production of parts made of composite materials.
Les fils sont en pratique conditionnés sous la forme de fils simples, de mèches ou de nappes comportant une pluralité de fils.  The yarns are in practice packaged in the form of single yarns, tows or webs having a plurality of yarns.
La résine thermoplastique est une résine qui présente la caractéristique d'être dure à la température ambiante et jusqu'à des valeurs de températures prévues en utilisation pour la pièce à réaliser. La résine assure en pratique la cohésion des fils de la pièce entre eux et donne à la pièce une part importante de sa rigidité. La résine thermoplastique présente également la propriété de ramollir ou fondre 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.  The thermoplastic resin is a resin which has the characteristic of being hard at room temperature and up to the expected temperature values in use for the part to be produced. The resin ensures in practice the cohesion of the son of the room between them and gives the piece an important part of its rigidity. The thermoplastic resin also has the property of softening or melting above a certain temperature, which depends on the resin in question, and to regain its hardness characteristics when the temperature is lowered again.
Cette caractéristique de changement réversible de la dureté et de la plasticité de la résine d'imprégnation des fils est mise à profit lors de la réalisation des pièces en matériau composite thermoplastique. Dans le système 100, chaque fil déposé par la tête 10 suit un parcours depuis une première extrémité d'une chaîne fonctionnelle à partir d'un distributeur de fils, par exemple des bobines de grandes capacités du système d'approvisionnement 60, pouvant être agencées en râtelier, et capable de délivrer en continu de grandes longueurs de fils, jusqu'à une extrémité terminale où les fils vont se séparer de la tête 10 et se trouver déposés sur la forme 80, par exemple un moule ou un mandrin, de la pièce à réaliser. This characteristic of reversible change in the hardness and the plasticity of the impregnating resin of the threads is put to use during the production of the thermoplastic composite material parts. In the system 100, each wire deposited by the head 10 follows a path from a first end of a functional chain from a wire distributor, for example large capacity coils of the supply system 60, which can be arranged in a rack, and capable of continuously delivering long lengths of son, to an end end where the son will separate from the head 10 and be deposited on the form 80, for example a mold or a mandrel, the piece to realize.
Considérant la tête 10 de la figure 2, celle-ci comporte une platine 1 1 par laquelle ladite tête 10 est fixée au robot 70.  Considering the head 10 of Figure 2, it comprises a plate 1 1 by which said head 10 is fixed to the robot 70.
La tête 10 comporte à une extrémité libre opposée à la platine 1 1 un rouleau de compactage 12. Le rouleau de compactage 10 détermine une ligne de contact correspondant à la ligne théorique d'une surface de roulement dudit rouleau de compactage qui est en contact avec la pièce en cours de réalisation. La ligne de contact est parallèle à un axe de rotation 15 du rouleau de compactage ^ .  The head 10 comprises at a free end opposite the plate 1 1 a compacting roller 12. The compacting roller 10 determines a contact line corresponding to the theoretical line of a rolling surface of said compacting roller which is in contact with the piece in progress. The nip is parallel to an axis of rotation of the compaction roller.
La tête 10 comporte des moyens de guidage, non visibles sur la figure 2, pour acheminer les fils 50 imprégnés de la résine thermoplastique vers le rouleau de compactage 10. Dans une forme de réalisation, plusieurs fils, pouvant être conditionnés en mèches ou en nappe, sont acheminés vers le rouleau de compactage 12 pour être déposés simultanément sur la forme 80 de sorte à couvrir une surface plus importante par passe de la tête sur ladite forme. Dans le cas où plusieurs fils sont acheminés simultanément, la tête 10 comporte également des moyens d'ajustement des positions relatives de la pluralité de fils, avant leur application sur la forme 80, de sorte que les fils soient juxtaposés sans jeu ni recouvrement entre des fils voisins. De tels moyens d'ajustement des positions relatives des fils consistent par exemple en un peigne guide fils dont les caractéristiques sont adaptées aux fils utilisés.  The head 10 comprises guide means, not visible in FIG. 2, for conveying the son 50 impregnated with the thermoplastic resin towards the compaction roller 10. In one embodiment, a plurality of threads can be packaged in locks or in a sheet , are conveyed to the compaction roller 12 to be simultaneously deposited on the form 80 so as to cover a larger surface per pass of the head on said form. In the case where several son are conveyed simultaneously, the head 10 also comprises means for adjusting the relative positions of the plurality of son, before their application on the form 80, so that the son are juxtaposed without play or overlap between neighboring sons. Such means for adjusting the relative positions of the threads consist, for example, of a wire guide comb whose characteristics are adapted to the wires used.
Un premier système de chauffage des fils comporte un premier générateur de chaleur 13 fixé sur la tête 10 pour réaliser un préchauffage des fils 50, avant que les fils arrivent sur le rouleau de compactage, et de sorte à élever la température des dits fils à une première température désirée de la résine d'imprégnation des fils, température comprise entre la température ambiante et la température de ramollissement/fusion de la résine. Le générateur de chaleur 13 est par exemple une source de rayonnement infrarouge. A first wire heating system comprises a first heat generator 13 fixed to the head 10 to preheat the wires 50, before the wires arrive on the compacting roller, and so as to raise the temperature of said wires to a minimum. first desired temperature of the impregnating resin son, temperature between room temperature and the softening / melting temperature of the resin. The heat generator 13 is for example a source of infrared radiation.
Le premier système de chauffage comporte également un second générateur de chaleur 14 apportant une énergie localisée à proximité de la ligne de contact. Le second générateur de chaleur 14 est agencé sur la tête pour apporter l'énergie par un côté aval AV d'une pièce en cours de réalisation, le côté aval AV étant défini par rapport au mouvement relatif de la tête 10 par rapport à la pièce, la tête se déplaçant de l'amont AM vers l'aval AV. Le second générateur de chaleur 14 est configuré pour porter les fils à la température de ramollissement/fusion souhaitée de la résine d'imprégnation juste avant le passage du rouleau de compactage.  The first heating system also comprises a second heat generator 14 providing a localized energy near the contact line. The second heat generator 14 is arranged on the head to bring the energy by a downstream side AV of a workpiece in progress, the downstream side AV being defined with respect to the relative movement of the head 10 relative to the workpiece , the head moving from upstream AM downstream AV. The second heat generator 14 is configured to carry the wires at the desired softening / melting temperature of the impregnating resin just prior to the passage of the compaction roller.
Dans une forme préférée, le second générateur de chaleur 14 comporte au moins une source Laser dont le faisceau est dirigé sensiblement en direction de la ligne de contact.  In a preferred form, the second heat generator 14 comprises at least one laser source whose beam is directed substantially in the direction of the line of contact.
Un second système de chauffage de la tête 10 comporte au moins un générateur de chaleur 16a, 16b fixé sur la tête 10 pour réaliser un chauffage des fils déposés sur la forme 80.  A second heating system of the head 10 comprises at least one heat generator 16a, 16b fixed on the head 10 for heating the wires deposited on the form 80.
Un générateur de chaleur 16a en aval AV du rouleau de compactage 12 et à proximité de la ligne de contact réalise un préchauffage de fils déposés sur la forme 80, par exemple lors d'un précédent passage de la tête 10. Les fils sur la forme 80 sont ainsi amenés à une température voisine de celle des fils à déposer après préchauffage. Le générateur de chaleur 16a est par exemple une source de rayonnements infrarouge.  A heat generator 16a downstream AV compacting roller 12 and close to the contact line performs a preheating son deposited on the form 80, for example during a previous passage of the head 10. The son on the form 80 are thus brought to a temperature close to that of the son to be deposited after preheating. The heat generator 16a is for example a source of infrared radiation.
Un générateur de chaleur 16b en amont AM du rouleau de compactage 12 et à proximité de la ligne de contact apporte une énergie sous forme thermique aux fils déposés sur la forme 80.  An upstream heat generator 16b AM compacting roller 12 and close to the contact line provides energy in thermal form to the son deposited on the form 80.
Le générateur de chaleur 16b est par exemple une source de rayonnement infrarouge.  The heat generator 16b is for example a source of infrared radiation.
La tête 10 comporte également une ou des buses de soufflage 17a, 17b d'un système de soufflage d'un gaz inerte tel que de l'azote.  The head 10 also comprises one or more blowing nozzles 17a, 17b of a system for blowing an inert gas such as nitrogen.
Les buses de soufflage 17a, 17b sont orientée sensiblement vers la ligne de contact de sorte que le gaz inerte maintien localement une atmosphère inerte qui évite une oxydation des fils imprégnés portés à la température de ramollissement/fusion de la résine. The blowing nozzles 17a, 17b are oriented substantially towards the line of contact so that the inert gas locally maintains an inert atmosphere which avoids oxidation of the impregnated threads brought to the softening / melting temperature of the resin.
Au moins une buse de soufflage 17a est fixée sur la tête 10 pour souffler le gaz inerte depuis l'aval AV du rouleau de compactage 12 en direction de la ligne de contact. De préférence le gaz est préalablement chauffé avant d'être soufflé et participe au préchauffage des fils avant le passage du rouleau de compactage.  At least one blast nozzle 17a is attached to the head 10 to blow the inert gas from the downstream AV of the compacting roller 12 towards the nip. Preferably, the gas is preheated before being blown and participates in preheating the wires before the compacting roller passes.
Au moins une buse de soufflage 17b est fixée sur la tête 10 pour souffler le gaz inerte depuis l'amont AM du rouleau de compactage 12 en direction dudit rouleau de compactage. Dans une forme de réalisation le gaz est refroidi avant d'être soufflé et assure un refroidissement du rouleau de compactage 10 qui est soumis à un flux thermique important.  At least one blast nozzle 17b is attached to the head 10 to blow the inert gas from the upstream AM of the compaction roller 12 to said compaction roller. In one embodiment the gas is cooled before being blown and provides cooling of the compaction roll 10 which is subjected to a large heat flow.
En outre le rouleau de compactage est fixé sur un support rigide 20 mobile en translation par l'intermédiaire d'au moins un vérin pneumatique 21 dont un axe de déplacement est parallèle à un axe longitudinal 22 de la tête 10, axe longitudinal qui est perpendiculaire à l'axe de rotation du rouleau de compactage In addition, the compacting roller is fixed on a rigid support 20 which is mobile in translation through at least one pneumatic jack 21, whose axis of displacement is parallel to a longitudinal axis 22 of the head 10, which longitudinal axis is perpendicular. to the axis of rotation of the compaction roller
12. 12.
Au moins un vérin pneumatique 21 prend appui sur la platine 1 1 de sorte à exercer une force d'appui sur la forme 80 au niveau du rouleau de compactage 12, et réguler cette force d'appui à une valeur adaptée au procédé, généralement comprise entre 40 et 140 DaN.  At least one pneumatic jack 21 is supported on the plate 1 1 so as to exert a pressing force on the shape 80 at the compaction roller 12, and regulate this support force to a value suitable for the process, generally included between 40 and 140 DaN.
Des rails de guidage ou d'autres moyens assurent le mouvement linéaire du déplacement du rouleau de compactage 12 de sorte à reprendre des efforts de torsion sur ledit rouleau de compactage et à interdire une modification de l'orientation de l'axe de rotation 5 dudit rouleau de compactage par rapport à la platine 1 1 .  Guide rails or other means ensure the linear movement of the displacement of the compaction roller 12 so as to take up torsional forces on said compacting roller and to prohibit a modification of the orientation of the axis of rotation 5 of said compacting roller with respect to the plate 1 1.
Dans une forme préférée de réalisation de la tête 10, le rouleau de compactage 12, les générateurs de chaleurs 13, 14, 16a, 16b et les buses de soufflages 17a, 17b sont fixés au support rigide 20 de sorte à conserver pendant les opérations de dépose de fils des positions et orientations fixes par rapport à la ligne de contact du rouleau de compactage 12. Un exemple de mise en œuvre du système 100 est décrite ici dans le cas de la réalisation d'une pièce en matériau composite thermoplastique par enroulement de fils sur un mandrin. In a preferred embodiment of the head 10, the compacting roller 12, the heat generators 13, 14, 16a, 16b and the blowing nozzles 17a, 17b are fixed to the rigid support 20 so as to preserve during the operations of removing wires from fixed positions and orientations relative to the contact line of the compaction roller 12. An exemplary implementation of the system 100 is described here in the case of producing a piece of thermoplastic composite material by winding son on a mandrel.
Un exemple d'une telle pièce est un réservoir comportant une section centrale cylindrique de section circulaire dont les extrémités sont fermées par des fonds ayant une forme de calotte sphérique, un orifice axial restant ouvert sur chaque fond.  An example of such a part is a tank having a cylindrical central section of circular section whose ends are closed by funds having a spherical cap shape, an axial orifice remaining open on each bottom.
La réalisation d'une telle pièce nécessite des mouvements complexes de la tête 10, qui réalise le dépôt des fils sur le mandrin en rotation, du fait des formes des fonds et également du fait que plusieurs couches de fils sont déposées avec des orientations différentes par rapport à un axe de rotation du mandrin. Dans ce cas, la tête 10 est montée sur un robot 70 avec cinq axes de liberté qui permettent de réaliser les déplacements et les rotations nécessaires.  The production of such a part requires complex movements of the head 10, which makes the deposition of the son on the mandrel in rotation, because of the shapes of the bottoms and also because several layers of son are deposited with different orientations by relative to an axis of rotation of the mandrel. In this case, the head 10 is mounted on a robot 70 with five axes of freedom that allow the necessary movements and rotations.
Dans la suite de l'exposé il sera considéré que les fils sont déposés sur le mandrin, y compris lorsque une ou plusieurs couches de fils ont déjà été déposées sur ledit mandrin et que les fils sont déposés sur des couches de fils déjà déposés. Ce raccourci de langage se justifie par le fait que la forme du mandrin n'est pas significativement affectée par les couches de fils déjà déposées et qu'en tout état de cause la connaissance de l'état d'avancement du processus de dépôt des fils, c'est-à-dire la connaissance du nombre de couches de fils déposés en un point de la pièce en cours de réalisation, permet de prendre en compte les variations dimensionnelles du mandrin dans un système de contrôle de position de la tête 10 par le robot 70. Dans cet exemple la pièce est réalisée à partir de fils imprégnés d'une matrice thermoplastique.  In the remainder of the disclosure, it will be considered that the threads are deposited on the mandrel, including when one or more layers of thread have already been deposited on said mandrel and that the threads are deposited on layers of already deposited threads. This shortcut of language is justified by the fact that the shape of the mandrel is not significantly affected by the layers of son already deposited and that in any case the knowledge of the progress of the process of deposition of the wires , that is to say, the knowledge of the number of layers of son deposited at a point of the part in progress, makes it possible to take into account the dimensional variations of the mandrel in a position control system of the head 10 by the robot 70. In this example the part is made from son impregnated with a thermoplastic matrix.
De tels fils sont par exemple des fils comportant des fibres de carbone ou de verre imprégnées d'une résine polyamide ou d'une résine poly(éther éther cétone). D'autres couples fibres/résine sont possibles pour autant que la résine soit une résine thermoplastique et que les propriétés des fibres autorisent, sans détérioration, que leur température soit augmentée jusqu'à au moins la température de ramollissement/fusion de la résine utilisée. Les fils 50 sont stockés sur des bobines du système d'approvisionnementSuch yarns are, for example, yarns comprising carbon or glass fibers impregnated with a polyamide resin or with a poly (ether ether ketone) resin. Other pairs of fibers / resin are possible as long as the resin is a thermoplastic resin and the properties of the fibers allow, without deterioration, their temperature is increased to at least the softening / melting temperature of the resin used. The wires 50 are stored on reels of the supply system
60. 60.
Pour disposer de longueur importantes de fils sans pénaliser les dimensions et la masse de la tête 10 qui doivent être aussi réduites que possible pour ne pas affecter sa maniabilité, les bobines sont déportées sur le robot 70 ou sur des supports annexe d'un stand de bobines, les fils étant guidés jusqu'à la tête 10, par exemple par des poulies de renvoi.  To have significant length of son without penalizing the dimensions and the mass of the head 10 which must be as reduced as possible so as not to affect its maneuverability, the coils are deported on the robot 70 or on supports attached to a booth. coils, the son being guided to the head 10, for example by pulleys.
Le système d'approvisionnement 60 comporte en outre un système de mise en tension des fils à déposer pourvu d'un système de rattrapage de défilement.  The supply system 60 further comprises a tensioning system son to deposit provided with a scroll retrieval system.
Ledit système de mise en tension des fils est de tout type connu pour assurer une force de tension sensiblement constante des fils 50 jusqu'au dépôt des dits fils sur le mandrin, c'est-à-dire jusqu'au rouleau de compactage.  Said thread tensioning system is of any type known to ensure a substantially constant tension force of the son 50 until the deposit of said son on the mandrel, that is to say up to the compacting roller.
Avantageusement ledit système comporte également un système de ravalement des fils de sorte qu'une réduction de la longueur du cheminement des dits fils, par exemple par un recul de la roulette de compactage lors de la rotation du mandrin, est compensé sans préjudice sur la force de tension exercée sur les fils.  Advantageously, said system also comprises a system for refacing the wires so that a reduction in the length of the path of said wires, for example by a retreat of the compacting wheel during the rotation of the mandrel, is compensated without affecting the force. of tension exerted on the son.
La traction exercée sur les fils lors du dépôt influe sur la qualité du compactage et sur la manière dont le matériau composite obtenue par la juxtaposition des fils et la superposition des couches de fils est consolidé.  The traction exerted on the yarns during deposition influences the quality of compaction and the way in which the composite material obtained by the juxtaposition of the yarns and the superposition of the yarn layers is consolidated.
La tension des fils est avantageusement comprise entre 20N et 50N, des essais permettant de déterminer une valeur préférée de la tension en fonction du type de fils utilisé.  The tension of the son is advantageously between 20N and 50N, tests for determining a preferred value of the voltage depending on the type of son used.
Dans un mode de réalisation, plusieurs fils sont approvisionnés à la tête 10. Les différents fils 50 sont alors positionnés au niveau de la tête pour former une nappe. Le positionnement des fils en nappe est réalisé de manière connue par des éléments de guidage, par exemple des poulies, et un peigne terminal, placé au plus prés du rouleau de compactage 12, qui délivre les fils juxtaposés les uns aux autres sans jeu ni recouvrement entre des fils voisins lorsque les fils ont été déposés. La trajectoire suivie par le fil ou les fils se poursuit sur la surface externe cylindrique du rouleau de compactage 12 jusqu'à la ligne d'appui où le ou les dits fils se séparent dudit rouleau de compactage et sont déposés sur le mandrin sous l'effet du déplacement relatif de la tête 10 par rapport audit mandrin. In one embodiment, several threads are supplied to the head 10. The various threads 50 are then positioned at the head to form a web. The positioning of the ply yarns is carried out in a known manner by guiding elements, for example pulleys, and a terminal comb, placed closer to the compacting roller 12, which delivers the yarns juxtaposed to each other without play or overlap. between neighboring wires when the wires have been deposited. The path followed by the yarn or yarns continues on the cylindrical outer surface of the compacting roller 12 to the support line where the said yarn (s) separate from the compacting roller and are deposited on the mandrel under the effect of the relative displacement of the head 10 relative to said mandrel.
Le rouleau de compactage 12 exerce une force d'appui sur le mandrin prédéfinie, dans la tête 10 décrite définie par les caractéristiques du vérin pneumatique 21 et la pression d'un gaz maintenue dans ledit vérin.  The compaction roller 12 exerts a pressing force on the predefined mandrel, in the head 10 described defined by the characteristics of the pneumatic cylinder 21 and the pressure of a gas held in said cylinder.
Cette force détermine une pression qui est exercée sur le ou les fils en cours de dépôt par la tête et qui, sauf pour une première couche, sont déposés sur les couches de fils déjà déposées sur le mandrin de sorte à assurer un compactage des couches de fils successives.  This force determines a pressure which is exerted on the son or son being deposited by the head and which, except for a first layer, are deposited on the layers of son already deposited on the mandrel so as to ensure a compacting of the layers of successive sons.
Lors du mouvement relatif entre la tête 10 et le mandrin, le rouleau de compactage 12 au contact du mandrin roule sur ce dernier.  During the relative movement between the head 10 and the mandrel, the compacting roller 12 in contact with the mandrel rolls on the latter.
Pour permettre ce roulement sans glissement sensible, l'axe de rotation 15 du rouleau de compactage est maintenu perpendiculaire à la trajectoire suivie par la tête sur le mandrin. Le rouleau de compactage ayant, par construction, une orientation fixe dans un référentiel de la tête, le robot 70 assure la dite orientation voulue du rouleau de compactage par un positionnement adapté de la tête.  To enable this rolling without significant slip, the axis of rotation of the compacting roller is maintained perpendicular to the path followed by the head on the mandrel. The compaction roll having, by construction, a fixed orientation in a reference frame of the head, the robot 70 provides said desired orientation of the compacting roller by a suitable positioning of the head.
Dans un mode de réalisation, la force d'appui sur le mandrin est modulable en fonction de conditions locales de la surface sur laquelle les fils sont déposés, par exemple la ou les courbures locales de la surface, par exemple le nombre de couches sur lesquels sont déposés les fils...  In one embodiment, the pressing force on the mandrel is adjustable according to the local conditions of the surface on which the threads are deposited, for example the local curvature (s) of the surface, for example the number of layers on which are deposited the threads ...
Avant d'arriver au niveau du rouleau de compactage le ou les fils sont soumis à l'effet du premier générateur de chaleur 13, ici une rampe infrarouge, du premier système de chauffage. La rampe infrarouge produit un rayonnement relativement diffus qui assure un chauffage homogène des fils. La puissance de ladite rampe infrarouge est adaptée en fonction d'une part de la vitesse de défilement du fils, en pratique la vitesse du bobinage dans l'exemple décrit, et de la température à laquelle il est souhaité porter les fils avant le rouleau de compactage. Cette température est fonction de la température de ramollissement/fusion à laquelle doit être portée la résine thermoplastique des fils pour obtenir lors du compactage la consolidation du matériau composite. Cette température est une température, autant que possible constante et dans ce cas contrôlée par un régulateur de température, comprise entre la température ambiante et la température de dégradation de la résine. Before reaching the level of the compaction roller, the son or wires are subjected to the effect of the first heat generator 13, here an infrared ramp, of the first heating system. The infrared ramp produces a relatively diffuse radiation which ensures a homogeneous heating of the wires. The power of said infrared ramp is adapted according to a part of the running speed of the son, in practice the winding speed in the example described, and the temperature at which it is desired to wear the son before the roll of compaction. This temperature is a function of the softening / melting temperature at which the thermoplastic resin of the yarns must be worn. to obtain during compaction the consolidation of the composite material. This temperature is a temperature, as much as possible constant and in this case controlled by a temperature controller, between room temperature and the degradation temperature of the resin.
Dans une forme de mise en œuvre, la puissance du premier générateur de chaleur 13 est régulée en fonction de paramètres mesurés tels que la température des fils.  In one form of implementation, the power of the first heat generator 13 is regulated according to measured parameters such as the temperature of the son.
En préchauffant ainsi les fils avant le rouleau de compactage, d'une part le fil s'avère moins rigide pour aborder une phase d'enroulement des fils sur le rouleau de compactage et d'autre part l'énergie nécessaire pour amener la température du fil à la température de dépose s'en trouve réduite et mieux définie.  By thus preheating the wires before the compaction roller, on the one hand the wire proves less rigid to approach a winding phase of the son on the compacting roller and on the other hand the energy necessary to bring the temperature of the wire at the dispense temperature is reduced and better defined.
Lors la rotation du mandrin, la surface du mandrin à proximité du rouleau de compactage 12, située en aval de la ligne de contact, passe dans un champ de rayonnement du générateur de chaleur 16a en aval AV du rouleau de compactage 12. Les fils déjà déposés sur le mandrin, par exemple lors d'un précédent passage de la tête 10, sont alors préchauffés, au moins pour les fils en surface directement soumis au rayonnement dudit générateur de chaleur, avantageusement une rampe infrarouge.  During the rotation of the mandrel, the surface of the mandrel close to the compaction roller 12, located downstream of the nip, passes into a radiation field of the heat generator 16a downstream AV of the compacting roller 12. The wires already deposited on the mandrel, for example during a previous passage of the head 10, are then preheated, at least for the surface son directly subjected to the radiation of said heat generator, preferably an infrared ramp.
Ainsi lorsque, du fait de la rotation du mandrin 80, les fils déjà déposés sur ledit mandrin arrivent au niveau de la ligne de contact, lesdits fils déjà déposés ont une température voisine de la température des fils 50 arrivant sur le rouleau de compactage 12 pour être déposés sur les dits fils déjà déposés.  Thus, when, because of the rotation of the mandrel 80, the son already deposited on said mandrel arrive at the level of the nip, said already deposited wires have a temperature close to the temperature of the wires 50 arriving on the compaction roller 12 for to be deposited on said already deposited wires.
Les fils 50 devant être déposés et les fils déjà déposés sont au niveau de la ligne de contact, où les premiers sont déposés sur les seconds, alors soumis à un chauffage à la température de ramollissement/fusion par le second générateur de chaleur 14, une source Laser, du premier système de chauffage.  The wires 50 to be deposited and the already deposited wires are at the line of contact, where the first are deposited on the second, then subjected to heating at the softening / melting temperature by the second heat generator 14, a Laser source, the first heating system.
Ledit second générateur permet d'apporter une énergie relativement importante de manière localisée, très près de la ligne de contact, de sorte que la température de ramollissement/fusion voulue est atteinte très localement et précisément dans la zone où la pression est exercée par le rouleau de compactage s pour appliquer les fils 50 en cours de dépôt sur les fils déjà déposés. Il est ainsi évité de chauffer à l'excès des zones qui ne nécessitent pas d'être chauffées et pour lesquelles les températures atteintes qui peuvent dépasser 300 °C seraient susceptibles de provoquer ces endommagements. Said second generator makes it possible to provide a relatively high energy in a localized manner, very close to the contact line, so that the desired softening / melting temperature is reached very locally and precisely in the zone where the pressure is exerted by the roller compaction s to apply the son 50 being deposited on the already deposited son. It is thus avoided to excessively heat areas that do not need to be heated and for which the temperatures reached that may exceed 300 ° C would be likely to cause these damages.
En outre, dans la zone de la ligne de contact la buse de soufflage 17a envoie un gaz inerte réchauffé, par exemple de l'azote, depuis l'aval AV du rouleau de compactage 12 en direction de la ligne de contact, de sorte que la zone la plus chaude est maintenue dans une atmosphère sensiblement inerte et évite une oxydation des matériaux portée à température élevée.  Furthermore, in the zone of the nip, the blast nozzle 17a sends a heated inert gas, for example nitrogen, from the downstream AV of the compaction roller 12 towards the nip, so that the hottest zone is maintained in a substantially inert atmosphere and avoids high temperature oxidation of the materials.
Le réchauffage du gaz soufflé participe au chauffage local des fils et surtout évite un refroidissement des fils préchauffés à un stade où il est souhaité augmenter la température des dits fils.  The heating of the blown gas contributes to the local heating of the son and especially avoids cooling of the preheated son to a stage where it is desired to increase the temperature of said son.
A contrario, du côté amont AM de la ligne de contact, la buse de soufflage 17b souffle le gaz inerte frais, sinon refroidi, depuis l'amont AM du rouleau de compactage 12 et en direction dudit rouleau de compactage. Ce soufflage a pour effet d'une part de refroidir ledit rouleau de compactage qui est soumis pendant toute la durée de fonctionnement de la tête 10 à l'apport d'énergie du second générateur de chaleur 14 et d'autre part de maintenir l'atmosphère inerte dans la zone de dépose des fils.  In contrast, on the upstream side AM of the nip, the blast nozzle 17b blows the fresh inert gas, if not cooled, from the upstream AM of the compaction roller 12 and towards said compacting roller. This blowing has the effect on the one hand of cooling said compaction roller which is subjected throughout the operating time of the head 10 to the energy supply of the second heat generator 14 and on the other hand to maintain the inert atmosphere in the area where the wires are laid.
Toujours du fait de la rotation du mandrin, les fils venant d'être déposés par la tête 10 et ceux sur lesquels lesdits fils viennent d'être déposés sont exposés au rayonnement du générateur de chaleur 16b en amont AM du rouleau de compactage 12 et à proximité de la ligne de contact.  As a result of the rotation of the mandrel, the wires that have just been deposited by the head 10 and those on which said wires have just been deposited are exposed to the radiation of the heat generator 16b upstream AM of the compaction roller 12 and to near the line of contact.
Il est ainsi évité un refroidissement trop rapide des fils et de la résine et il est obtenu une post consolidation, le matériau composite résultant présentant une santé matière améliorée.  It is thus avoided a too fast cooling of the son and the resin and it is obtained a post consolidation, the resulting composite material presenting an improved material health.
Lors de la rotation du mandrin et des mouvements de la tête 12 imprimés par le robot 70, la force d'appui du rouleau de compactage est maintenue au niveau souhaité par le ou les vérins pneumatiques 21 . Le robot est contrôlé pour ajuster en permanence une orientation de l'axe longitudinal (22) de la tête sensiblement perpendiculaire à un plan osculateur du mandrin au niveau de la ligne de contact et pour maintenir une distance entre la platine 1 1 de la tête et le mandrin compatible avec une plage d'action du au moins un vérin qui régule la force d'appui. During the rotation of the mandrel and the movements of the head 12 printed by the robot 70, the pressing force of the compacting roller is maintained at the desired level by the pneumatic cylinder or cylinders 21. The robot is controlled to continuously adjust an orientation of the longitudinal axis (22) of the head substantially perpendicular to an osculator plane of the mandrel at the line of contact and to maintain a distance between the plate 1 1 of the head and the chuck compatible with a range of action of the at least one jack which regulates the support force.
La tête de dépose de l'invention présente l'avantage de regrouper l'ensemble des moyens nécessaires au compactage et à la consolidation in-situ du matériau composite thermoplastique lors du dépôt des fils et de déporter les éléments encombrants du système hors de la zone où est réalisé le dépôt. The depositing head of the invention has the advantage of grouping all the means necessary for compacting and in-situ consolidation of the thermoplastic composite material during the deposition of the son and to move the bulky elements of the system out of the zone. where the deposit is made.
Il en résulte une tête compacte dans laquelle les dimensions enveloppe de la tête sont réduites.  This results in a compact head in which the envelope dimensions of the head are reduced.
La tête illustrée sur la figure 2 présente un exemple de réalisation dont les dimensions permettent la réalisation, sur un mandrin, d'un réservoir d'un diamètre aussi réduit que 300 mm, à fonds hémisphériques avec des orifices axiaux de 85 mm, et avec des angles minimum de bobinage de 19° par rapport à l'axe.  The head illustrated in Figure 2 shows an embodiment whose dimensions allow the realization, on a mandrel, a tank with a diameter as small as 300 mm, with hemispherical bottoms with axial holes of 85 mm, and with minimum winding angles of 19 ° to the axis.

Claims

R E V E N D I C A T I O N S R E V E N D I C A T IO N S
- Tête (10) de dépose de fils (50) imprégnés d'une résine thermoplastique comportant un premier système de chauffage des fils à déposer, un second système de chauffage agencé pour réchauffer une zone aval (AV) sur laquelle la tête (10) doit déposer les fils (50) et un rouleau de compactage (12) destiné à appliquer suivant une ligne de contact une force d'appui sur les fils (50) lors de leurs dépôt sur une forme (80), caractérisé en ce que : - Head (10) for depositing son (50) impregnated with a thermoplastic resin comprising a first heating system of the son to be deposited, a second heating system arranged to heat a downstream zone (AV) on which the head (10). must deposit the wires (50) and a compaction roller (12) intended to apply a bearing force on the wires (50) during a deposit on a form (80), characterized in that:
- le rouleau de compactage (12) est mobile suivant un axe longitudinal (22) de la tête, une orientation d'un axe de rotation (15) dudit rouleau de compactage, perpendiculaire à l'axe longitudinal (22) de la tête, étant fixe dans un référentiel de ladite tête ;  the compaction roller (12) is movable along a longitudinal axis (22) of the head, an orientation of an axis of rotation (15) of said compaction roller, perpendicular to the longitudinal axis (22) of the head, being fixed in a reference frame of said head;
- Le premier système de chauffage des fils à déposer comporte un premier générateur de chaleur (13) agencé sur la tête (10) pour élever la température des fils (50), avant leurs dépose, à une valeur comprise entre la température ambiante et la température d'application et comporte un second générateur de chaleur (14) comportant au moins une source laser comme source d'énergie de chauffage agencée sur la tête (10) pour apporter l'énergie de chauffage sensiblement au niveau de la ligne de contact ;  - The first heating system of the son to be deposited comprises a first heat generator (13) arranged on the head (10) to raise the temperature of the son (50), before their removal, to a value between room temperature and the application temperature and comprises a second heat generator (14) comprising at least one laser source as a heating energy source arranged on the head (10) to supply the heating energy substantially at the level of the line of contact;
- un système de soufflage d'un gaz inerte est agencé sur la tête de sorte à rendre inerte l'environnement des fils à proximité de la ligne de contact, ledit système de soufflage comportant au moins une buse de soufflage. - Tête suivant la revendication 1 dans laquelle le rouleau de compactage (12), le premier générateur de chaleur (13) et le second générateur de chaleur (14) du premier système de chauffage sont fixés sur un support (20) rigide, le dit support rigide étant mobile en translation suivant la direction de l'axe longitudinal (22) de la tête. 3 - Tête suivant la revendication 2 dans laquelle le support rigide (20) est mobile en translation par l'intermédiaire d'au moins un vérin pneumatique (21 ) prenant appui sur une platine de préhension (1 1 ) de ladite tête. 4 - Tête suivant la revendication 2 ou la revendication 3 dans laquelle une ou plusieurs buses de soufflage sont fixées au support rigide (20). - An inert gas blowing system is arranged on the head so as to render inert the environment of the son near the contact line, said blowing system comprising at least one blowing nozzle. - Head according to claim 1 wherein the compacting roller (12), the first heat generator (13) and the second heat generator (14) of the first heating system are fixed on a support (20) rigid, said rigid support being movable in translation in the direction of the longitudinal axis (22) of the head. 3 - head according to claim 2 wherein the rigid support (20) is movable in translation through at least one pneumatic cylinder (21) bearing on a gripping plate (1 1) of said head. 4 - Head according to claim 2 or claim 3 wherein one or more blowing nozzles are fixed to the rigid support (20).
5 - Tête suivant l'une des revendications précédentes dans laquelle au moins une buse de soufflage (17a) est agencée de sorte à souffler un gaz inerte chauffé dans une zone située en aval (AV) de la ligne de contact, c'est-à-dire compte tenu du déplacement relatif de la tête (10) par rapport à une pièce en cours de réalisation une zone de la forme (80) ou de la pièce sur laquelle vont être déposés des fils (50). 6 - Tête suivant l'une des revendications précédentes dans laquelle au moins une buse de soufflage (17b) est agencée de sorte à souffler un gaz inerte sur le rouleau de compactage (12) dans une zone dudit rouleau de compactage située en amont (AM) de la ligne de contact. 7 - Tête suivant l'une des revendications précédentes dans laquelle le second système de chauffage comporte au moins un générateur de chaleur (16a) tel qu'une rampe d'émission de rayonnement infrarouge agencé sur la tête pour échauffer la zone aval (AV). 8 - Tête suivant l'une des revendications précédentes dans laquelle le second système de chauffage comporte en outre au moins un générateur de chaleur (16b), tel qu'une rampe d'émission de rayonnement infrarouge, agencé pour réchauffer une zone amont (AM) correspondant à une zone par rapport à la ligne de contact sur laquelle les fils (50) ont été déposés lorsqu'une pièce est en cours de réalisation. 9 - Tête suivant l'une des revendications précédentes comportant des moyens de juxtaposition de plusieurs fils (50) de sorte à former une nappe sans recouvrement entre des fils voisins, les dits moyens étant agencés pour former la nappe avant le passage des fils (50) sur le rouleau de compactage (12). 5 - Head according to one of the preceding claims wherein at least one blowing nozzle (17a) is arranged to blow a heated inert gas in a downstream zone (AV) of the nip, that is, that is to say, given the relative displacement of the head (10) relative to a part in the process of producing a zone of the shape (80) or the part on which wires (50) will be deposited. 6 - Head according to one of the preceding claims wherein at least one blowing nozzle (17b) is arranged so as to blow an inert gas on the compaction roller (12) in an area of said upstream compaction roller (AM ) of the contact line. 7 - Head according to one of the preceding claims wherein the second heating system comprises at least one heat generator (16a) such as an infrared radiation emission ramp arranged on the head to heat the downstream zone (AV) . 8 - Head according to one of the preceding claims wherein the second heating system further comprises at least one heat generator (16b), such as an infrared radiation emission ramp, arranged to heat an upstream zone (AM ) corresponding to a zone with respect to the line of contact on which the wires (50) have been deposited when a part is in progress. 9 - Head according to one of the preceding claims comprising juxtaposing means of several son (50) so as to form a sheet without overlap between neighboring son, said means being arranged to form the web before the passage of son (50). ) on the compacting roller (12).
10 - Système (100) pour la réalisation de pièces en matériau composite par dépôt de fils (50) imprégnés d'une résine thermoplastique comportant une forme (80), telle qu'un moule ou un mandrin de bobinage, sur laquelle doivent être déposées les fils (50), comportant une tête (10) conforme à l'une des revendications précédentes et comportant un système d'apport (60) de fils imprégnés d'une résine thermoplastique à ladite tête. - System (100) for producing parts made of composite material by depositing son (50) impregnated with a thermoplastic resin having a shape (80), such as a mold or a winding mandrel, on which must be deposited the son (50), comprising a head (10) according to one of the preceding claims and comprising a system of supply (60) son impregnated with a thermoplastic resin to said head.
1 1 - Système suivant la revendication 10 dans lequel la tête (10) est portée par un robot (70) qui assure les déplacements souhaités de ladite tête, le dit robot comportant des axes de déplacement, en translation et ou en rotation, contrôlés de ladite tête pour : 1 1 - System according to claim 10 wherein the head (10) is carried by a robot (70) which provides the desired movements of said head, said robot having axes of displacement, in translation and or in rotation, controlled from said head for:
- maintenir l'axe longitudinal (22) de ladite tête sensiblement perpendiculaire à un plan osculateur d'une surface de la forme (80), moule ou mandrin de bobinage, ou de la pièce en cours de réalisation à l'emplacement de la ligne de contact ;  - maintain the longitudinal axis (22) of said head substantially perpendicular to an osculating plane of a surface of the form (80), mold or winding mandrel, or part being produced at the location of the line of contact ;
- maintenir un point de référence d'une platine de préhension (1 1 ) de la tête (10) à une distance sensiblement constante de la surface de la forme (80) ou de la pièce en cours de réalisation à l'emplacement de la ligne de contact ;  - maintain a reference point of a gripping plate (1 1) of the head (10) at a substantially constant distance from the surface of the form (80) or the part being produced at the location of the contact line;
- orienter un axe de rotation (15) du rouleau de compactage (12) en fonction d'une direction de dépose souhaité pour les fils (50) afin d'assurer un roulement dudit rouleau de compactage sans glissement sensible. 12 - Système suivant la revendication 10 ou la revendication 1 1 dans lequel le système d'apport (60) de fils imprégnés de résines thermoplastique comporte un système de mise en tension des fils (50) à déposer pourvu d'un de rattrapage de défilement. - Système suivant la revendication 12 dans lequel le système de mise en tension des fils à déposer assure, au niveau du rouleau de compactage (12) en amont de la ligne de contact suivant le sens de déplacement des fils, une tension des fils (50) sensiblement constante comprise entre 20N et 50N. - Orienting an axis of rotation (15) of the compacting roller (12) according to a desired direction of removal for the son (50) to ensure a rolling of said compaction roller without significant slip. 12 - System according to claim 10 or claim 1 1 wherein the delivery system (60) of son impregnated with thermoplastic resins comprises a tensioning system of the son (50) to be deposited provided with a catch-up scroll. - System according to claim 12 wherein the tensioning system of the son to be deposited ensures, at the compacting roller (12) upstream of the nip following the direction of movement of the son, a tension son (50). ) substantially constant between 20N and 50N.
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