FR2915053A1 - Procede et dispositif de chauffage de pieces tubulaires ou pleines par induction. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif (10) de chauffage d'une pièce tubulaire (18) ou pleine, notamment pour la transformation ou le moulage d'un tube, comprenant :- un corps tubulaire (12) en matériau amagnétique, destiné à contenir la pièce (18),- une couche interne (16) électriquement conductrice, destinée à être en contact avec la pièce (18),- des moyens inducteurs (14) entourant le corps tubulaire (12) pour générer un champ magnétique,le dispositif (10) étant tel que le champ magnétique généré par les moyens inducteurs induit des courants dans la couche interne (16), permettant ainsi de localiser le chauffage au voisinage de l'interface couche interne/tube à chauffer.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF DE CHAUFFAGE DE PIECES TUBULAIRES OU PLEINES PAR

INDUCTION

La présente invention est relative au chauffage par induction de pièces, tubulaires ou pleines, dans le but de réaliser la transformation ou le moulage de pièces tubulaires, constituées notamment de matériaux composites à matrice thermoplastique ou thermodurcissable.

La technologie de chauffage par induction est très usitée dans le domaine du moulage de pièces plastiques ou composites, notamment du fait d'un taux de transfert d'énergie plus élevé que les moyens de chauffage conventionnels, et également du fait du bon rendement, de la précision et de la répétabilité qu'elle procure. Le chauffage de tubes, notamment dans le but de réaliser par moulage des tubes en matériaux composites, ne bénéficie pas à ce jour d'une technologie d'induction satisfaisante. Il est connu par exemple un dispositif comprenant un corps tubulaire en aluminium entouré d'inducteurs, les courants induits par ces derniers provoquant l'échauffement du corps tubulaire. L'inconvénient d'un tel dispositif est de chauffer le corps tubulaire dans la masse , ce qui implique un temps de chauffage long pour tenir compte du temps nécessaire à la diffusion de la chaleur dans le corps en aluminium. Un temps de chauffage long est très pénalisant, car outre une productivité faible, il induit une consommation en énergie d'autant plus élevée et un temps de refroidissement proportionnel. Un dispositif tel que décrit ci-dessus présente également l'inconvénient d'utiliser un matériau offrant un rendement faible au chauffage par induction La présente invention a pour but de fournir un procédé et un dispositif simples et peu onéreux, permettant le chauffage performant de pièces tubulaires ou pleines par induction, notamment en vue de réaliser le moulage de tubes en matériaux composites. L'invention part de la constatation que les dispositifs de moulage les plus efficaces sont ceux offrant une chauffe de type surfacique, c'est-à-dire permettant un chauffage localisé de la surface moulante du moule. On économise ainsi la perte d'énergie due au chauffage du moule dans la masse. Ainsi, l'invention concerne un dispositif de chauffage d'une pièce 10 tubulaire ou pleine, comprenant : un corps tubulaire métallique, destiné à contenir la pièce, une couche interne électriquement conductrice, destinée à être en contact avec la pièce, des moyens inducteurs entourant le corps tubulaire pour 15 générer un champ magnétique, le dispositif étant tel que le champ magnétique généré par les moyens inducteurs induit des courants dans la couche interne, permettant ainsi de localiser le chauffage au voisinage de l'interface couche interne/pièce à chauffer. 20 Ainsi grâce à l'invention, on localise les courants induits, et donc le chauffage, dans la couche interne, directement au voisinage du tube à chauffer, et non dans l'épaisseur du corps tubulaire. Un dispositif selon l'invention présente donc l'avantage de chauffer localement la zone moulante, directement au voisinage de l'interface zone moulante/matériau, et non dans l'épaisseur du 25 corps de moule, ce qui représente une économie d'énergie importante. Un tel dispositif présente également l'avantage d'être simple et peu coûteux à fabriquer. Dans une réalisation, la couche interne est disposée sur la surface interne du corps tubulaire. 30 Dans une réalisation, le champ magnétique génère des courants induits à l'interface entre la couche interne et le corps tubulaire. Dans une réalisation, la couche interne est disposée sur la surface externe d'un noyau cylindrique interne, le noyau étant disposé coaxialement à l'intérieur du corps.

Dans une réalisation, le dispositif comprend une deuxième couche interne, disposée sur la surface interne du corps tubulaire. Dans une réalisation, le corps tubulaire comprend deux éléments, mobiles l'un par rapport à l'autre, permettant l'ouverture du corps.

Dans une réalisation, les deux éléments, sont isolés électriquement lorsque le corps est fermé. Dans une réalisation, la couche interne comprend un composé magnétique, de préférence de perméabilité magnétique relative et de résistivité électriques élevées.

Dans une réalisation, le corps tubulaire comprend un composé amagnétique, de préférence de résistivité électrique élevée. Dans une réalisation, le corps tubulaire comprend un composé magnétique, de préférence de perméabilité magnétique relative et de résistivité électrique élevées.

Dans une réalisation, le corps tubulaire comprend, sur sa surface externe en regard des moyens inducteurs, une couche en un matériau amagnétique, de préférence de conductivité électrique élevée. Dans une réalisation, le dispositif comprend des moyens de pression internes, permettant de plaquer le tube à chauffer contre le corps tubulaire. L'invention concerne également un procédé de fabrication de pièces en matériaux composites faisant appel à un dispositif tel que défini ci-dessus. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront avec la description faite ci-dessous, cette dernière étant effectuée à titre descriptif et non limitatif en faisant référence aux figures ci-après sur lesquelles: - la figure 1 représente un dispositif conforme à l'invention, vu en coupe dans un plan perpendiculaire à l'axe de symétrie du dispositif, - la figure 2 représente le dispositif de la figure 1, dans une demie vue en coupe dans un plan radial du dispositif, - la figure 3 représente des modes de réalisation particuliers du dispositif de la figure 2, - la figure 4 représente une variante de réalisation du dispositif de la figure 1, - la figure 5 représente une autre variante de réalisation du dispositif selon l'invention. La figure 1 représente un dispositif 10 conforme à l'invention, dans l'exemple destiné au moulage de pièces cylindriques en matériau composite. Le dispositif, ou moule 10, comprend un corps tubulaire 12 entouré de moyens inducteurs 14. Le corps 12 est constitué d'un matériau amagnétique, dans l'exemple un acier inoxydable. La surface interne du corps 12 est recouverte d'une couche interne 16 en un matériau magnétique, par un exemple un alliage à base de nickel, ou un acier allié avec des éléments tels que le nickel, le chrome ou encore le titane. Cette couche interne 16 constitue une zone moulante et une zone chauffante, étant destinée à être en contact avec la pièce à chauffer et/ou à mouler. Lorsqu'on alimente les moyens inducteurs 14 avec un courant alternatif Il de fréquence F, le dispositif est conformé de telle manière que le champ magnétique généré induit des courants 12 dans la couche magnétique interne 16. La figure 2, qui représente une demie vue en coupe selon un plan radial du moule 10, cette fois adapté au chauffage d'une pièce tubulaire, ou tube 18, cette pièce d'épaisseur e3 à chauffer étant disposée à l'intérieur du corps 12. Le tube 18 est par exemple en un matériau composite à matrice thermoplastique ou thermodurcissable. A proximité de la surface externe du corps 12 sont disposées les spires 141, 142, 143, 144, 145 des moyens inducteurs 14, celles-ci étant parcourues par des canaux de refroidissement internes 15 permettant la circulation d'un fluide de refroidissement. Pour induire des courants dans la couche interne 16, il faut que le champ magnétique généré par les moyens inducteurs soit non nul au niveau de cette couche d'épaisseur e2. En d'autres termes, le champ magnétique créé par les spires d'inducteurs, qui enveloppe le corps 12, doit traverser le corps 12 d'épaisseur e,. La profondeur de pénétration du champ magnétique est définie par une grandeur appelée épaisseur de peau.

L'épaisseur de peau 8 dans le corps 12 peut être déterminée de manière approchée par la formule suivante : 8 =50.(p/(F. r)) 1/2 où p est la résistivité du matériau amagnétique constituant le corps 12, r la perméabilité magnétique relative du matériau et F la fréquence des courants inducteurs. Pour un matériau amagnétique, on prend : r=1, et la formule devient : 8 = 50.(p/ F)1'2. Ainsi, on voit que l'épaisseur de peau est proportionnelle à la résistivité du matériau amagnétique constituant le corps 12. Le choix d'un matériau amagnétique bénéficiant d'une résistivité élevée permet donc d'obtenir la pénétration du champ magnétique souhaitée. A ce titre, le choix d'un acier inoxydable représente un bon compromis entre résistivité et résistance mécanique, le corps 12 devant en effet supporter des efforts importants dans le cas d'un dispositif dédié au moulage. Cependant, le corps 12 peut être réalisé dans tout matériau amagnétique présentant une résistivité importante, comme par exemple un alliage à base de manganèse, avec des éléments d'alliage tels que le nickel et le cuivre.

Une fois que l'on connaît la résistivité du corps 12, la fréquence F des courants inducteurs Il est choisie de manière à obtenir une épaisseur de peau 8 qui soit supérieure à l'épaisseur e,. De préférence, on choisira la fréquence la plus élevée permettant de remplir cette condition. En effet, la puissance joule induite par le chauffage à induction, est proportionnelle à ,/T' donc plus la fréquence est grande, plus l'énergie injectée sera grande. Selon les applications et les matériaux constituant le dispositif, on se situera dans une gamme de fréquences allant de 100 Hertz à quelques kilohertz, ce qui permet d'obtenir une épaisseur de peau de plusieurs dizaines de millimètres. Ainsi, le champ magnétique traverse le corps 12 et atteint la couche interne 16, générant au sein de celle-ci des courants induits 12, également dits courants de Foucault. La couche interne 16 est alors chauffée par effet Joule sous l'action de ces courants induits 12, permettant ainsi de chauffer et d'amener à la température voulue le tube 18 dans un temps très court. On a ainsi réalisé le but de l'invention, qui est de localiser le chauffage par induction directement au voisinage de l'interface moule/matière. En effet, les courants induits sont localisés dans la couche interne 16, dont l'épaisseur e2, inférieure au millimètre, est très petite devant l'épaisseur du moule 10, ce qui permet d'obtenir un chauffage surfacique. D'autre part, le corps 12 étant réalisé dans un matériau amagnétique, il est très peu chauffé par induction. Un des avantages de l'invention est qu'elle permet une chauffe surfacique tout en bénéficiant des avantages d'une structure métallique pour le corps 12 du dispositif. En effet, l'utilisation d'un métal pour réaliser le corps 12 permet d'obtenir la résistance mécanique (à l'effort et à la fatigue) et les propriétés thermiques (faible dilatation, bonne conduction thermique pour le refroidissement, etc.) que l'on peut attendre d'un corps de moule. L'utilisation d'un matériau transparent au champ comme par exemple de la céramique n'aurait pas permis de bénéficier de ces qualités. Dans une variante préférée, la profondeur de pénétration du champ magnétique est telle que l'on génère des courants induits dans la couche interne 16, à l'interface couche interne 16/corps tubulaire 12. Ainsi, la surface de la couche interne 16 en contact avec la pièce tubulaire à chauffer n'est parcourue par aucun courant induit. En d'autres termes, l'épaisseur de peau 8 est supérieure à e,, mais strictement inférieure à (e,+e2). On chauffe donc directement l'interface couche interne 16/corps 12 par induction, la chaleur produite se propageant ensuite vers l'interface couche interne 16/pièce 18 par conduction. Cette variante présente l'avantage de réaliser un chauffage surfacique selon l'invention, tout en permettant le chauffage de pièces électriquement conductrices (par exemple en fibres de carbone) puisque aucun courant n'est induit à l'interface entre la couche interne 16 et la pièce à chauffer. La fixation de la couche interne 16 de matériau magnétique sur le corps de moule peut être effectuée de diverses manières, par exemple par fixation d'une tôle ou par dépôt de matière, par exemple un dépôt plasma ou électrolytique. Le matériau magnétique utilisé pour cette couche interne 16 est un composé magnétique pouvant présenter une température de Curie, ainsi qu'une résistivité électrique plus importante que celle du cuivre, comme par exemple des alliages d'acier à base de nickel, de chrome et/ou de titane. Une résistivité électrique importante de cette couche interne 16 constitue un avantage car elle permet un chauffage par induction plus efficace. Cependant, il est à noter que la perméabilité magnétique du matériau constituant cette couche influe également sur le rendement du chauffage par induction (cf. formule citée précédemment). Dans une variante, le moule 10 comprend des moyens de pression internes 20 (cf. figure 2), disposés à l'intérieur du tube 18, et qui permettent de venir appliquer la surface externe du tube 18 contre le corps 12 durant l'opération de moulage. Ces moyens de pression 20 sont par exemple un dispositif expansible de type baudruche (métallique ou en silicone), ou encore une pièce métallique cylindrique, tubulaire ou pleine, destinée à se dilater avec l'augmentation de température, cette dilatation étant suffisante pour venir plaquer le tube 18 contre la surface interne 16. Dans un autre exemple, on peut utiliser de manière analogue les propriétés de mémoire de forme de certains alliages, de manière qu'une pièce faite d'un tel matériau ait une forme différente selon la température, et plus particulièrement entre la température ambiante et la température de moulage. Une telle pièce peut être par exemple une plaque mince enroulée sur elle-même. La figure 3 représente une variante du dispositif, dans laquelle est prévu un noyau métallique 22, sur lequel est disposée la couche interne 16. Dans cette configuration, le dispositif est tel que champ magnétique généré par les inducteurs traverse le corps 12 et le tube 18, pour atteindre le noyau 22. En d'autres termes, la profondeur de pénétration du champ magnétique dans le moule 10 est supérieure à e,. En effet, si l'épaisseur de peau est supérieure à e,, le champ magnétique atteint directement la couche interne 16, car il traverse la pièce à chauffer 18, celle-ci étant transparente au champ car électriquement non conductrice. Ainsi, de même que pour les variantes précédentes, le champ magnétique induit des courants de Foucault dans la couche interne 16, qui est disposée sur la surface externe du noyau 22. Dans cette variante, le chauffage du tube 18 s'effectue donc par l'intermédiaire de sa surface interne. Dans l'exemple, le noyau 22 comprend un matériau magnétique analogue à celui qui compose la couche interne 16, ces deux éléments formant alors une pièce unique monobloc, ce qui simplifie la fabrication du noyau 22. Dans une variante non représentée, le dispositif 10 comprend deux couches magnétiques internes, la première étant disposée sur la surface interne du corps 12, comme représenté à la figure 2, la deuxième étant disposée sur la surface externe d'un noyau, comme représenté à la figure 3. Dans cette configuration, les moyens inducteurs sont mis en oeuvre de telle manière que la profondeur de pénétration du champ magnétique soit supérieure à (e,+e2), ce qui permet que le champ magnétique traverse le corps tubulaire 12, la première couche interne, la pièce à chauffer (transparente au champ), pour atteindre la deuxième couche interne et ainsi générer dans cette dernière des courant induits. Cette configuration permet d'obtenir un chauffage double de la pièce tubulaire, simultanément sur ses surfaces interne et externe. En pratique, le corps tubulaire 12 est ouvrant, de manière à permettre l'éjection de la pièce finie. Dans un tel cas, on peut réaliser le corps tubulaire 12 en deux éléments 121, 122 (cf. figure 4 ou 5), formant des demi tubes mobiles l'un par rapport à l'autre. Le corps 12 est en outre pourvu de canaux de refroidissement, disposés dans l'épaisseur du corps 12, et de direction parallèle à l'axe de symétrie de ce dernier. Ces canaux permettent de faire circuler un fluide de refroidissement pour refroidir la pièce après transformation. Dans une variante représentée à la figure 4, le corps tubulaire comprend, sur l'un de ses plans diamétraux, une coupure électrique séparant ce corps en deux éléments 121 et 122 électriquement isolés, par exemple grâce à une couche 123 d'un matériau isolant. Dans cette configuration, l'isolation électrique entre les deux éléments 121 et 122 joue le rôle d'un entrefer au sein duquel le champ magnétique généré par les inducteurs circule. Ainsi, le champ magnétique enveloppe chacun des éléments 121 et 122, générant ainsi des courants induits 13 et 14 sur les surfaces internes et externes de ces deux éléments. L'avantage d'une telle configuration est qu'elle permet de s'affranchir de l'influence de la profondeur de pénétration du champ magnétique dans les éléments 121 et 122. En effet, quelle que soit l'épaisseur de peau dans ces éléments, les courants induits circulent sur la surface interne de ces deux éléments. Dans le cas où le moule 10 est pourvu d'une couche interne magnétique 16 située dans le corps tubulaire 12, on s'assure ainsi que celle-ci est parcourue par les courants induits. Dans le cas où le moule 10 est pourvu d'un noyau interne comprenant la couche interne 16, celui-ci est soumis directement à l'action du champ magnétique qui circule au sein du moule 10, et, de plus, les courants circulant sur la surface interne des éléments 121 et 122 induisent également des courants à la surface du noyau 22, dans la couche interne 16. Comme décrit précédemment, l'avantage de la configuration de la figure 4 est qu'elle permet de s'affranchir de l'épaisseur de peau électromagnétique, et donc d'avoir une plus grande liberté de choix en ce qui concerne la fréquence des courants qui alimentent les moyens inducteurs 14.

Or, lorsque tous les paramètres sont fixés, on sait qu'augmenter la fréquence du champ électromagnétique va permettre d'améliorer le rendement du chauffage. Cela va en outre diminuer l'épaisseur de peau. Dès lors, il devient avantageux de prévoir un corps 12 en matériau magnétique, par exemple un matériau similaire à celui qui compose la couche 16, et d'équiper chaque demi corps d'une couche externe 124, 125 en matériau amagnétique, par exemple du cuivre. Les couches amagnétiques 124 et 125 sont, comme les éléments 121 et 122 électriquement isolées, dans l'exemple au moyen de la même couche isolante 123. Un tel dispositif sera idéalement mis en oeuvre avec des fréquences hautes, par exemple entre 10 et 100 kHz. En effet, la fréquence du champ électromagnétique sera choisie de manière que l'épaisseur de peau soit inférieure à l'épaisseur de la couche amagnétique externe, qui sera supérieure au millimètre. Ainsi, le champ électromagnétique ne pénètre pas jusqu'à la surface externe du corps 12, car la couche externe amagnétique 124, 125 constitue une couche de blindage électromagnétique. En outre, celle-ci étant amagnétique et de faible résistivité électrique, elle est très peu chauffée par induction. En revanche, comme décrit plus haut, comme des courants 13, 14 circulent à la surface interne du corps 12, celui-ci étant en matériau magnétique, il va être très réactif au chauffage par induction et ainsi chauffer beaucoup, tout en générant à son tour des courants dans le noyau 22. On obtient ainsi un chauffage double de la pièce tubulaire 18, simultanément sur ses surfaces interne et externe. Pour éviter toute perte énergétique dans le corps tubulaire, on prévoit également une couche de blindage amagnétique entre chaque élément 121, 122 et la couche isolante 123. Dans une variante représentée à la figure 5, on prévoit également un corps en matériau magnétique en deux parties électriquement isolées 121 et 122 et pourvues d'une couche de blindage amagnétique 124 et 125, mais sans noyau interne. Le principe de fonctionnement est identique au cas de la figure 4, à la différence que la couche interne magnétique 16 se trouve sur la surface interne des éléments 121 et 122. Ainsi, la couche 16 est parcourue directement par les courants induits 13 et 14, et est donc chauffée localement. En pratique, la couche interne 16 est confondue avec la surface interne du corps tubulaire, puisque celui-ci est réalisé dans le même matériau magnétique. Pour éviter toute déperdition d'énergie, les couches 124 et 125 séparent également les éléments 121 et 122 de la couche isolante 123, comme représenté sur la figure 5. Selon les cas, on prolongera éventuellement ces deux couches de blindage jusqu'au niveau de la couche interne 16. Un tel dispositif peut notamment s'appliquer au chauffage et au moulage de pièces pleines. Le dispositif selon l'invention est particulièrement adapté au moulage de tubes ou de cylindres en matériaux composites, par exemple à matrice thermoplastique ou thermodurcissable. Il permet de diminuer considérablement les temps de cycle nécessaire à la transformation d'une pièce. En effet, l'énergie des inducteurs est injectée directement dans la couche interne 16. La très fine épaisseur de cette dernière permet de porter très rapidement sa surface en contact avec la pièce à chauffer/transformer à la température voulue, puisqu'on ne chauffe pas le dispositif 10 dans la masse . Pour chauffer la pièce à une température donnée, on injecte donc moins d'énergie, et dans un temps plus court, que dans un dispositif classique. De ce fait, le temps de refroidissement nécessaire se trouve également diminué d'autant car il y a moins d'énergie thermique à dissiper, ce qui procure un gain supplémentaire sur le temps de cycle. Enfin, la moindre énergie nécessaire représente une source d'économie, du fait de la capacité moindre nécessaire pour le générateur d'induction. De façon classique, des moyens mécaniques (non représentés) d'éjection de la pièce fabriquée sont également prévus. De manière à simplifier la mise en place et le retrait des pièces, on prévoit également des inducteurs ouvrants, réalisés par exemple en deux parties solidaires respectivement de chaque demi corps 121, 122 du corps 12, ces parties étant en contact électrique lorsque le corps 12 est fermé. Le procédé de fabrication est mis en oeuvre de la manière suivante: mise en position du (ou des) matériaux de la pièce tubulaire à l'intérieur du corps tubulaire, chauffage de la zone moulante, et mise sous pression grâce aux moyens de pression internes pendant un temps donné, mise en oeuvre du refroidissement des corps de moule, afin de refroidir la pièce, éjection/enlèvement de la pièce.

Claims (13)

REVENDICATIONS

1. Dispositif (10) de chauffage d'une pièce tubulaire (18) ou pleine, comprenant : - un corps tubulaire (12) métallique, destiné à contenir la pièce (18 ), - une couche interne (16) électriquement conductrice, destinée à être en contact avec la pièce (18), - des moyens inducteurs (14) entourant le corps tubulaire (12) pour générer un champ magnétique, le dispositif (10) étant tel que le champ magnétique généré par les moyens inducteurs induit des courants directement dans la couche interne (16), permettant ainsi de localiser le chauffage au voisinage de l'interface couche interne/tube à chauffer.

2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la couche interne (16) est disposée sur la surface interne du corps tubulaire (12).

3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel le champ magnétique génère des courants induits à l'interface entre la couche interne (16) et le corps tubulaire (12).

4. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la couche interne (16) est disposée sur la surface externe d'un noyau (22) cylindrique interne, le noyau étant disposé coaxialement à l'intérieur du corps (12).

5. Dispositif selon la revendication 4, comprenant une deuxième couche interne disposée sur la surface interne du corps tubulaire (12).

6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel le corps tubulaire (12) comprend deux éléments (121, 122), mobiles l'un par rapport à l'autre, permettant l'ouverture du corps (12).

7. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel les deux éléments (121, 122) sont isolés électriquement lorsque le corps (12) est fermé.

8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel la couche interne (16) comprend un composé magnétique, de préférence de perméabilité magnétique relative et de résistivité électriques élevées.

9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel le corps tubulaire (12) comprend un composé amagnétique, de préférence de résistivité électrique élevée.

10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel le corps tubulaire (12) comprend un composé magnétique, de préférence de perméabilité magnétique relative et de résistivité électrique élevées.

11. Dispositif selon la revendication 10, dans lequel le corps tubulaire comprend, sur sa surface externe en regard des moyens inducteurs, une couche (124, 125) en un matériau amagnétique, de préférence de conductivité électrique élevée.

12. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 11, comprenant des moyens de pression internes, permettant de plaquer le tube à chauffer contre le 10 corps tubulaire.

13. Procédé de fabrication de tubes, faisant appel à un dispositif selon l'une de revendications 1 à 12.