FR2996801A1 - Machine de placement de fibres comprenant un rouleau regule en temperature - Google Patents

Abstract

L'objet de l'invention est une machine de placement de fibres comprenant une tête de dépose avec un rouleau (50) apte à pivoter selon un axe de rotation (52) et à déposer une pluralité de fibres pré-imprégnées sur une surface de dépose (62) en roulant sur ladite surface de dépose (62), lesdites fibres étant réparties le long d'une génératrice inférieure du rouleau (50) et en contact avec une surface extérieure (60) dudit rouleau sur un arc d'enroulement, caractérisée en ce que le rouleau (50) comprend des moyens pour réguler la température des fibres pré-imprégnées sur au moins une portion de leurs arcs d'enroulement.

Description

MACHINE DE PLACEMENT DE FIBRES COMPRENANT UN ROULEAU REGULE EN TEMPERATURE La présente invention se rapporte à une machine de placement de fibres comprenant un rouleau régulé en température. Selon un mode opératoire, une pièce en matériau composite est réalisée à partir d'une préforme de fibres soumise à un cycle de polymérisation.

Par préforme, on entend un volume de fibres disposées selon un agencement déterminé, obtenu notamment en superposant sur une surface d'un moule des couches de fibres les unes sur les autres. L'invention concerne plus précisément les préformes réalisées à partir de fibres pré-imprégnées de résine qui sont en suivant polymérisées lors d'une étape de consolidation sans apport de résine. Lorsque la surface du moule est développable, il est possible d'utiliser des machines de drapage qui visent à déposer sur le moule des nappes de fibres dont les dimensions peuvent atteindre celles de la pièce. bans ce cas, chaque couche peut être constituée d'une unique nappe.

Lorsque la surface du moule n'est pas développable, on peut utiliser une machine de placement de fibres permettant de déposer simultanément une pluralité de fibres disposées côte à côte. Ainsi, une machine de placement de fibres permet de déposer à chaque passage une bande de fibres. En variante, une machine de placement peut permettre de déposer 20 simultanément plusieurs rubans de fibres. Par rubans de fibres, on entend un groupe de fibres. Généralement, un ruban est plan et a une faible largeur, de l'ordre du centimètre, voire inférieure. Pour donner un ordre de grandeur, un ruban de fibres peut avoir une largeur de l'ordre de 12 mm, 6mm ou 3mm. Pour la suite de la description, on entend par fibre un élément longiligne qui peut être constitué d'une unique fibre ou de plusieurs fibres à la manière d'un ruban.

Une surface de dépose correspond à la surface du moule dans le cas de la première couche de fibres ou à la dernière couche déposée dans le cas des autres couches. Sur la figure 1, on a représenté un moule 10 sur lequel est formée une préforme 12 grâce à une machine de placement de fibres 14.

Cette machine 14 comprend un magasin de fibres 16, une tête de placement 18 mobile, supportée par un robot (non représenté) tel qu'un bras articulé par exemple, ainsi que des moyens 20 pour acheminer des fibres 22 depuis le magasin 16 jusqu'à la tête de placement 18. La tête de placement 18 comprend un rouleau 24 apte à pivoter autour d'un axe de rotation 26 se déplaçant au-dessus de la surface de dépose 28 et des moyens 30 pour chauffer la surface de dépose à l'avant du rouleau 24 afin d'activer la résine des fibres 22 mises en place par le rouleau pour favoriser l'adhérence des fibres sur la surface de dépose pour qu'elles conservent leurs positions. Pour la suite de la description, on entend par direction longitudinale, une direction parallèle à l'axe de rotation du rouleau. Un plan longitudinal correspond à un plan contenant l'axe de rotation. Un plan transversal correspond à un plan perpendiculaire à l'axe de rotation. Une direction radiale est une direction perpendiculaire à l'axe de rotation. Selon un mode de réalisation illustré sur la figure 2, le rouleau 24 comprend un corps cylindrique 32 d'un seul bloc avec deux bouts d'axes 34 à chaque extrémité montés pivotants dans des paliers 36 d'un support 38 solidaire de la tête de placement. Le guidage bouts d'axes 34/ paliers 36 permet de définir l'axe de rotation 26.

Le support 38 exerce un effort sur le rouleau 24 en direction de la surface de dépose 28 de manière à ce que le rouleau 24 exerce au niveau d'une génératrice inférieure 40 un effort sur les fibres 22 à placer en direction de la surface de dépose 28.

Le rouleau peut pivoter librement autour de l'axe de rotation 26. Son mouvement de rotation autour de l'axe de rotation 26 découle du roulement du rouleau 24 sur la surface de dépose 28. Selon un mode de réalisation, le corps cylindrique 32 est en élastomère revêtu d'un film de téflon.

Le magasin de fibres 16 appelé également cantre comprend une pluralité de bobines de fibres. Le magasin 16 comprend des moyens pour exercer une tension constante sur chacune des fibres quelle que soit la vitesse ou l'accélération de la tête de placement 18. Si la tension n'est pas suffisante pour une fibre donnée 22, cela provoque une compression axiale de la fibre 22 au moment de son compactage par le rouleau 24 conduisant à des plissements de la fibre, comme illustré sur la figure 3A, qui resteront inclus dans la préforme sous la forme de petites ondulations qui altéreront les caractéristiques mécaniques de la pièce réalisée. Si la tension est trop importante pour une fibre 22 donnée, cela provoque un pontage au niveau d'un creux de la pièce, comme illustré sur la figure 3B, qui restera inclus dans la préforme et conduira à un défaut qui impactera les caractéristiques mécaniques de la pièce réalisée. Le placement des fibres est réalisé à température ambiante supérieure ou égale à 20°C. bans ce contexte, chaque fibre est dévidée par la conjonction simultanée 25 de deux effets : Le premier effet découle du roulement du rouleau sur la fibre et devrait permettre en théorie de dévider une quantité de fibre égale à la distance parcourue par le rouleau si la fibre n'était en contact avec le rouleau qu'au niveau de la génératrice inférieure 40 du rouleau. Le second effet découle de l'adhérence de la fibre sur le rouleau sur une certaine longueur d'arc d'enroulement A (visible sur les figures 3A et 3B).

Ce dernier effet conduit généralement à des défauts pour les raisons suivantes. Généralement, la trajectoire de la tête de placement n'est pas nécessairement rectiligne et peut décrire une courbe. bans ce cas, pour une vitesse de déplacement donnée du centre du rouleau, la vitesse de déplacement Vext d'une première extrémité du rouleau est supérieure à la vitesse de déplacement Vint d'une seconde extrémité du rouleau dans une courbe. Or, compte tenu du second effet induit par l'adhérence des fibres sur le rouleau, la vitesse tangentielle de chaque fibre est constante au niveau de la génératrice inférieure du rouleau et égale à la vitesse de rotation du rouleau 6 multipliée par le rayon du rouleau R. Par conséquent, si Vext est supérieure à 6.R, la fibre Fext déposée à cet endroit est trop tendue, ce qui tend à provoquer des défauts de type pontage comme illustré sur la figure 3B. En parallèle, si Vint est inférieure à 6.R, la fibre Fint déposée à cet endroit n'est pas suffisamment tendue, ce qui tend à provoquer des défauts de type plissement comme illustré sur la figure 3A. Pour limiter l'apparition de ces défauts, une première solution consiste à déposer des fibres sèches, non pré-imprégnées. bans ce cas, les fibres peuvent glisser sur le rouleau et être tendues de manière adéquate. Toutefois, cette solution nécessite d'utiliser d'autres techniques de polymérisation qui doivent permettre l'imprégnation des fibres par une résine. Ces techniques de polymérisation sont généralement plus complexes à mettre en oeuvre. be plus, dans la mesure où les fibres ne sont pas pré-imprégnées elles peuvent glisser les unes par rapport aux autres dans la préforme et ne pas être correctement positionnées in fine. Selon une seconde solution, on pourrait envisager de réduire la longueur de l'arc d'enroulement A pour réduire les forces de frottement entre les fibres et le rouleau. Toutefois, cette solution peut difficilement être mise en oeuvre car elle impose de changer l'architecture de la tête de placement. be plus, une certaine longueur d'arc d'enroulement est nécessaire pour assurer un guidage des fibres. Ainsi, la réduction de la longueur de l'arc d'enroulement conduit à dégrader la précision du positionnement des fibres selon la direction longitudinale. Le document US-6.390.169 propose une troisième solution qui consiste à utiliser un rouleau 42 segmenté comme illustré sur les figures 4A et 4B. Chaque segment de rouleau 44 est dédié à une fibre et peut avoir une vitesse de rotation différente de celles des autres segments. Ainsi, la vitesse de rotation de chaque segment de rouleau est adaptée à la vitesse de déplacement du point dudit segment en contact avec la surface de dépose. be ce fait, chaque fibre est correctement tendue. Même si elle limite les risques d'apparition de défauts de type pontage ou plissement, cette solution n'est pas pleinement satisfaisante car le rouleau est relativement complexe. Par ailleurs, du fait que chaque segment a un rayon important de l'ordre 35 mm, le rouleau ne permet pas d'appliquer correctement les fibres contre la surface de dépose si cette dernière présente un creux avec un rayon de courbure inférieur à 35 mm. Aussi, la présente invention vise à remédier aux inconvénients de l'art antérieur 20 en proposant un rouleau qui permet de réduire l'adhérence des fibres pré-imprégnées sur le rouleau. A cet effet, l'invention a pour objet une machine de placement de fibres qui se caractérise en ce qu'elle comprend un rouleau avec des moyens pour réguler la température des fibres pré-imprégnées sur au moins une portion de leurs arcs 25 d'enroulement. Avantageusement, le rouleau comprend des moyens de refroidissement des fibres pré-imprégnées à son contact.

Cette solution procure les mêmes avantages que les fibres sèches au niveau du rouleau et permet d'utiliser des techniques de consolidation pour la solidification de la pièce à réaliser. De plus, dans la mesure où les fibres sont pré-imprégnées, elles conservent leurs positions dans la préforme jusqu'à l'étape de consolidation.

D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre de l'invention, description donnée à titre d'exemple uniquement, en regard des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective d'une machine de placement selon l'art antérieur, - la figure 2 est une vue de face d'un rouleau d'une machine de placement selon l'art antérieur, - la figure 3A est une vue latérale du rouleau de la figure 2 qui induit un premier type de défaut, - la figure 3B est une vue latérale du rouleau de la figure 2 qui induit un second type de défaut, - les figures 4A et 4B sont des vues de face d'un rouleau selon l'art antérieur en contact avec des surfaces de contact présentant différents profils, - la figure 5 est une coupe longitudinale d'une variante d'un rouleau d'une machine de placement de fibres selon l'invention, - la figure 6A est une coupe longitudinale d'une autre variante d'un rouleau d'une machine de placement de fibres selon l'invention, - la figure 6B est une coupe transversale du rouleau de la figure 6A, et - la figure 7 est une coupe longitudinale d'une autre variante d'un rouleau d'une machine de placement de fibres selon l'invention. Sur les figures 5, 6A, 6B et 7, on a représenté un rouleau 50 d'une machine de placement de fibres apte à pivoter autour d'un axe de rotation 52.

Comme pour l'art antérieur, le rouleau 50 comprend des moyens pour le relier à une tête de placement. Selon un mode de réalisation, le rouleau 50 comprend à chaque extrémité un bout d'axe 54 monté pivotant dans un palier 56 d'un support 58 solidaire de la tête de placement. Le guidage bout d'axe 54/ paliers 56 permet de définir l'axe de rotation 52. La machine de placement, la liaison entre le rouleau et la tête de placement ne sont pas plus décrites car elles sont connues de l'homme du métier et peuvent être identiques à celles de l'art antérieur dans la mesure où le rouleau 50 selon l'invention est plus particulièrement adapté pour être monté sur les machines de placement de fibres existantes en lieu et place des rouleaux de l'art antérieur. Selon un mode de réalisation, le rouleau 50 comprend une surface extérieure 60 sensiblement cylindrique qui peut rouler sur une surface de dépose 62 de manière à placer des fibres 64. Comme illustré sur la figure 6B, chaque fibre 64 est en contact avec la surface extérieure 60 sur un arc d'enroulement A qui dépend de l'architecture de la tête de placement. Pour donner un ordre de grandeur, cet arc d'enroulement A a une longueur qui est supérieure à un quart de la circonférence du rouleau et inférieure à la moitié de la circonférence. Les fibres 64 sont pré-imprégnées d'une résine. Les fibres et la résine sont choisies en fonction de la pièce à réaliser.

A température ambiante, supérieure ou égale à 20°C, les fibres pré-imprégnées 64 ont une pégosité relativement élevée qui confère aux fibres un pouvoir collant et une adhérence sur la surface de dépose 62 permettant aux fibres de conserver leurs positions jusqu'à l'étape de consolidation.. Selon l'invention, le rouleau 50 comprend des moyens de refroidissement des fibres 64 pré-imprégnées en contact avec lui, sur au moins une portion de l'arc d'enroulement A afin de réduire la pégosité desdites fibres de manière à ce qu'elles perdent leur pouvoir collant. be ce fait, si nécessaire, les fibres 64 peuvent glisser sur la surface extérieure 60 de manière à compenser les différentes longueurs de fibre déposée d'une fibre à l'autre en raison notamment de la trajectoire de la tête de placement ou de la géométrie de la surface de dépose 62. Avantageusement, le rouleau 50 comprend des moyens de refroidissement de la surface extérieure 60 qui par conduction refroidit les fibres 64, sur au moins une portion de l'arc d'enroulement A. Les moyens de refroidissement de la surface extérieure 60 permettent d'abaisser sa température et de la maintenir à une température inférieure à Tf° à partir de laquelle on constate une perte du pouvoir collant de la résine qui imprègne les fibres.

Par perte de pouvoir collant, on attend que les fibres peuvent glisser sur la surface extérieure 60 si nécessaire lors de leurs placements sur la surface de dépose. Pour la majorité des résines utilisées dans le domaine aéronautique, la température de la surface extérieure 60 doit être inférieure ou égale à 15 approximativement 12°C. be préférence, les moyens de refroidissement assurent un refroidissement de la surface extérieure sur toute sa circonférence. En complément des moyens de refroidissement, la machine de placement des fibres comprend des moyens pour chauffer les fibres de la surface de dépose 62 20 situées à l'avant du rouleau 50. Selon un mode de réalisation, ces moyens pour chauffer les fibres sont solidaires de la tête de placement et peuvent être conformes à ceux de l'art antérieur. A titre d'exemple, les moyens pour chauffer les fibres comprennent au moins une lampe infrarouge. Lorsque les fibres 64 viennent en contact avec la surface de dépose 62, la partie 25 supérieure des fibres est à une température inférieure à Tf et n'adhère pas à la surface extérieure 60 du rouleau 50 alors que la partie inférieure des fibres en contact avec la surface de dépose 62 chauffée adhère à cette dernière du fait que la résine pré-imprégnée sur les fibres est « réactivée », ce qui assure un dévidage et un positionnement correct des fibres. be préférence, les moyens de refroidissement utilisent un fluide caloporteur qui circule à l'intérieur du rouleau 50 qui comprend à cet effet un circuit de fluide 66. Avantageusement, les moyens pour refroidir le fluide caloporteur sont situés à l'extérieur du rouleau. bans ce cas, le circuit de fluide 66 comprend une alimentation 68 en fluide caloporteur à une température « froide » permettant d'abaisser et maintenir la 10 surface extérieure 60 à une température inférieure à Tf et une sortie 70 pour évacuer le fluide caloporteur. Cette solution a pour avantage de permettre l'évacuation des calories dont le rouleau 50 se charge en roulant sur une surface de dépose 62 chauffée. La machine de placement comprend des moyens pour contrôler la température et 15 le débit du fluide caloporteur afin d'obtenir au niveau de la surface extérieure 60 du rouleau la température adéquate. Selon une première variante illustrée sur la figure 5, le rouleau 50 comprend un cylindre creux 72 avec une paroi mince et rigide, avec à chaque extrémité une paroi latérale comprenant chacune un orifice centré par rapport à l'axe de 20 rotation, l'un des orifices communiquant avec l'alimentation 68 en fluide caloporteur, l'autre orifice communiquant avec la sortie 70 du fluide caloporteur. Selon cette variante, le circuit de fluide 66 correspond à l'intérieur du cylindre creux 72. Selon une autre variante illustrée sur les figures 6A et 6B, le rouleau 50 est 25 plein et comprend un circuit de fluide 66 avec une pluralité de conduits longitudinaux 76 agencés à proximité de la surface extérieure 60. Selon un mode de réalisation, le circuit de fluide 66 comprend un conduit central 74 coaxial à l'axe de rotation 52 qui s'étend sur toute la longueur du rouleau 50, l'une de ses extrémités étant reliée à l'alimentation 68 en fluide caloporteur et son autre extrémité à la sortie 70 du fluide caloporteur. Les conduits longitudinaux 76 sont répartis sur toute la circonférence du rouleau de manière à obtenir une température la plus homogène possible au niveau de la 5 surface extérieure 60. Les conduits longitudinaux 76 s'étendent sur quasiment toute la longueur du rouleau et sont parallèles au conduit central 76. En complément, le circuit 66 comprend des conduits radiaux 78, un pour chaque extrémité des conduits longitudinaux 76, qui permettent de faire communiquer les conduits longitudinaux avec le conduit central. Cette solution améliore, par 10 rapport à la variante illustrée sur la figure 5, les échanges thermiques entre le fluide caloporteur et la surface extérieure du rouleau. Selon une autre variante illustrée sur la figure 7, le rouleau 50 comprend un cylindre creux 80 avec une paroi déformable. bans ce cas, le circuit de fluide 66 correspond à l'intérieur du cylindre creux 80. 15 Avantageusement, le rouleau 50 comprend des moyens pour ajuster sa capacité à se déformer. Selon un mode de réalisation, la machine de placement comprend des moyens pour réguler la pression du fluide caloporteur et de la sorte moduler la capacité du cylindre creux 80 à se déformer. Plus la pression est importante et plus la déformation du rouleau est limitée. 20 Cette solution permet de mieux répartir la force appliquée sur les fibres, le long de la génératrice inférieure du rouleau, et d'obtenir une pression uniforme sur les fibres, dans le cas d'une discontinuité de la surface de dépose. Selon un mode de réalisation, le cylindre creux 80 comprend une bande de roulement en matériau déformable renforcée par une armature 82. Cette 25 armature 82 transversale et/ou longitudinale, obtenue par bobinage de fils par exemple, permet d'éviter une expansion radiale en raison de la pression et confère à la bande de roulement une bonne tenue à la flexion.

Le rouleau 50 selon l'invention peut être également utilisé dans une étape postérieure au placement des fibres consistant à compacter la préforme à chaud. bans ce cas, le rouleau comprend des moyens pour chauffer les fibres à son contact. Selon un mode de réalisation, il est possible d'utiliser les rouleaux précédemment décrits en faisant circuler un fluide caloporteur « chaud » dont la température et le débit permettent de chauffer les fibres à la température requise pour le compactage. Quelle que soit l'application, un rouleau selon l'invention comprend des moyens pour réguler la température des fibres à son contact.

Claims (12)

1. REVENDICATIONS1. Machine de placement de fibres comprenant une tête de dépose avec un rouleau (50) apte à pivoter selon un axe de rotation (52) et à déposer une pluralité de fibres pré-imprégnées sur une surface de dépose (62) en roulant sur ladite surface de dépose (62), lesdites fibres étant réparties le long d'une génératrice inférieure du rouleau (50) et en contact avec une surface extérieure (60) dudit rouleau sur un arc d'enroulement, caractérisée en ce que le rouleau (50) comprend des moyens pour réguler la température des fibres pré-imprégnées sur au moins une portion de leurs arcs d'enroulement.
2. 2. Machine de placement de fibres selon la revendication 1, caractérisée 10 en ce que le rouleau (50) comprend des moyens de refroidissement des fibres (64) pré-imprégnées à son contact.
3. 3. Machine de placement de fibres selon la revendication 2, caractérisée en ce que la tête de placement comprend des moyens pour chauffer les fibres de la surface de dépose (62) situées à l'avant du rouleau (50). 15
4. 4. Machine de placement de fibres selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que le rouleau (50) comprend des moyens de refroidissement de la surface extérieure (60).
5. 5. Machine de placement de fibres selon la revendication précédente, caractérisée en ce que les moyens de refroidissement permettent d'abaisser et 20 de maintenir la température de la surface extérieure (60) à une température inférieure ou égale à 12°C.
6. 6. Machine de placement de fibres selon la revendication 4 ou 5, caractérisée en ce que le rouleau (50) comprend un circuit de fluide (66) dans lequel circule un fluide caloporteur.
7. 7. Machine de placement de fibres selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le circuit de fluide (66) comprend une alimentation (68) en fluide caloporteur et une sortie (70) pour évacuer le fluide caloporteur.
8. 8. Machine de placement de fibres selon la revendication 6 ou 7, 5 caractérisée en ce que le rouleau (50) comprend un cylindre creux (72, 80) dans lequel circule le fluide caloporteur.
9. 9. Machine de placement de fibres selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le cylindre creux (80) a une paroi déformable.
10. 10. Machine de placement de fibres selon la revendication précédente, 10 caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens pour moduler la pression du fluide caloporteur afin d'ajuster la capacité du cylindre creux à se déformer.
11. 11. Machine de placement de fibres selon la revendication 9 ou 10, caractérisée en ce que le cylindre creux (80) comprend une bande de roulement en matériau déformable renforcée par une armature (82). 15
12. 12. Machine de placement de fibres selon la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce que le rouleau (50) est plein et comprend un circuit de fluide (66) avec une pluralité de conduits longitudinaux (76) agencés à proximité de la surface extérieure (60) et répartis sur la circonférence dudit rouleau.