Brevet FR2124597A1 — publié le 19720922

-1- La présente invention a pour objet un procédé et un appareil de fabrication de corps creux tels que des tubes ou des récipients, à partir de résines de réaction, par exemple à partir de résines de polyesters insaturés ou de résines époxy, qui sont renforcées avec des fibres, par exemple des fibres de verre, des 5 fibres métalliques, des fibres naturelles ou synthétiques, en l'occurrence les fibres étant imprégnées avec la résine et enroulées sur un mandrin d'enroulement rotatif. On utilise ici un appareil consistant en un dispositif d'enroulement avec mandrin d'enroulement rotatif et en un dispositif de trempage. Particulièrement en vue de la fabrication de tubes et de récipients en 10 matières plastiques renforcées par des fibres de verre, on utilise principalement le procédé d1 enroulement. Ce procédé s'est avéré avantageux et, pour la fabrication de tubes et de récipients par le procédé d'enroulement, il existe déjà un grand nombre de machines sur le marché qui opèrent presque exclusivement d'après le système dit au banc rotatif» Ici, un noyau d'enroulement tourne entre deux 13 paliers. Le support consiste généralement en une ensouple et en line cuve de trempage dans laquelle les rovings sont humectés avec le mélange résine/durcissant. Par des dispositifs de raclage et d'exprimage, la résine en excès est enlevée et la bande de roving est portée par un peigne cornus guide sur le mandrin d'enroulement où le support se déplace en ion mouvement de va-et-vient. Suivant la 20 constitution et l'application du tube ou récipient confectionné, on enroule en forme de vis plusieurs couches de rovings fibreux sur les mandrins d'enroulement principalement cylindriques ou coniques. Les boucles se placent côte à côte. Par un va-et-vient du support, on obtient deux enroulements en forme de vis avec pas contraire, qui se croisent suivant un angle. Plus cet angle de croisement est 25 grand, plus grande est la portion de renforcement en direction longitudinale. Au reste, cet angle ne peut pas être choisi arbitrairement; il est limité par la largeur de bande et le diamètre du mandrin d'enroulement. Pour les grands diamètres, on n'atteint ainsi pratiquement pas de renforcement longitudinal. Par l'enroulement périphérique, on obtient dans cette direction, il est vrai, de bonnes 30 valeurs de la résistance, mais dans la direction axiale seulement des valeurs qui, en général, se situent même beaucoup en dessous de la résistance de la résine pure. Il faut donc prendre des mesures supplémentaires pour obtenir un renforcement axial approprié. Ceci se fait par l'emploi supplémentaire de tissus unidirectionnels ou de bandes de roving qui sont placés ou bien à la main, ou bien mé-35 eaniquement à l'aide de dispositifs additionnels. Ce mode opératoire s'est imposé pour la fabrication de récipients et de tubes et il est désigné par "procédé d'enroulement parallèle". Les récipients 72 04357 2124597 -2- ou tubes ainsi confectionnés sont pourvus intérieurement le plus Bouvent d'une couche mince ou d'un garnissage pour les protéger contre l'attaque de la matière de remplissage. Une possibilité, même pour des diamètres moyens, d'obtenir de'grands angles 5 de croisement et par conséquent un renforcement axial, consiste à monter des enroulements à plusieurs pas» Ceci exige du reste un réglage compliqué afin qu'à chaque passage du support le mandrin d'enroulement poursuive sa rotation d'une, fraction exactement définie pour obtenir«le raccordement à l'enroulement précédent. Dans le cas de corps creux cylindriques, on atteint l'accroissement le plus grand 10 possible de l'angle de croisement lorsque le roving au point de retour ne trouve plus une retenue suffisante et glisse» Ces procédés sont en général discontinus. Lais on connaît toutefois aussi des installations d'enroulement qui opèrent en continu. Dans celles-ci, on recouvre un tube extrudé de manière continue en matières thermoplastiques, en direction 15 longitudinale, complètement avec des rovings. Ces rovings longitudinaux sont fixés par des enroulements périphériques serrés étroitement les uns à côté des autres. Les bobines de rovings et les bains de trempage tournent suspendus à la cardan autour du tube qui continue à se déplacer lentement dans la direction axiale. L'installation est donc de construction très compliquée. 20 Suivant un autre procédé connu, on enroule une bande d'acier sans fin de manière forcée sur un mandrinr La surface du noyau consiste en une multiplicité de rouleaux sur lesquels la bande d'acier bobinée d'une part glisse en direction périphérique et d'autre part, par suite du bobinage forcé, également en direction a-xiale. On obtient ainsi une surface tournante, qui se déplace lentement: en avant 25 dans la direction axiale, qui décale en avant continuellement le laminat enroulé dans la direction axiale. Le laminat traverse un four de durcissement et peut alors être découpé à la mesure désirée. La constitution du laminab se fait simultanément en une succession déterminée. Tout d'abord on enroule par exemple une feuille séparatrice, vient ensuite une couche de résine, une toison, une couche de 30 nappe, une couche enroulée, une couche de nappe, une couche de renforcement axiai, une couche enroulée, etc. Pour terminer, on enroule encore une toison. Pour n'avoir pas besoin pour chaque couche d'une station d'enroulement distincte, les enroulements individuels sont appliqués avec chevauchement. En fait, le problème de l'enroulement continu est bien résolu avec ce procédé, mais d'autres problèmes qui ip~ 35 paraissent au bobinage ne le sont toutefois pas» Le renforcement axial en particulier ici, soulève des difficultés. Chaque utilisation des récipients et tubes en matières plastiques renforcées par des fibres demande des propriétés spéciales à 72 04357 2124597 -3- la paroi. Abstraction faits de la construction, un ±-éeipi«nt sollicité par- un ca-bossage ou une flexion exige des épaisseurs de paroi plus grandes. Par exemple, dans le calcul de la résistance d'un réservoir de stockage, en cas de charge de flexion, l'épaisseur de paroi intervient au carré, dans les problèmes de cabos-5 sage mêiue à la troisième puissance. Les parois épaisses se fabriquent plus économiquement par une teneur plus élevée en résine du laminat. Une partie de la sécurité que l'on peut atteindre avec de plus grandes épaisseurs de paroi se reperd il est vrai par la teneur inférieure en verre", étant donné que les propriétés mécaniques, par exemple l'effort de traction et de flexion admis, diminuent dans la 10 région intéressée sensiblement linéairement avec la baisse de la teneur en verre. Or, les valeurs de résistance mécanique n'interviennent toutefois dans les calculs qu'à la première puissance. On doit donc choisir dans tous les éléments de construction qui sont soumis à une flexion, ou à un choc, par exemple des silos, des réservoirs de stockage au-dessus ou au-dessous du sol, les siphons, etc., plus 15 judicieusement une grande épaisseur de paroi à haute teneur en résine'au lieu d'une paroi mince à teneur élevée en fibres. Parce qu'on peut plus aisément et plus économiquement atteindre une plus grande rigidité par un accroissement du moment de résistance, et par conséquent de l'épaisseur de paroi, que par un accroissement du module E. D'après l'expérience et sur la base de calculs, on sait que normale-20 ment, dans le cas de corps enroulés, des parois plus épaisses seraient indiquées, mais qu'il n'est pas absolument nécessaire d'augmenter l'épaisseur de la paroi sur toute la périphérie et sur toute la longueur. Il n'existe guère de corps enroulé qui soit chargé uniformément en direction circulaire et axiale. Ordinairement il y a toujours des endroits particulièrement exposés et il conviendrait de proté-25 ger particulièrement ces endroits par un renforcement de la paroi. L'objet de l'invention est un procédé et un appareil pour la fabrication de corps creux en résines de réaction renforcées par des fibres d'après le procédé d'enroulement, en l'occurrence, un bon renforcement axial étant atteint, une teneur élevée en résine étant réglable et la possibilité de faire varier la nature 30 des parois du corps creux dans la direction périphérique étant offerte. Je problème est résolu conformément à l'invention du fait que les fibres-sous forme de rovings sans fin, sont alimentés à une plus grande vitesse que la vitesse périphérique du mandrin d'enroulement sur un substrat porteur qui les amène à une vitesse correspondante à la vitesse périphérique du mandrin d'enroulement, 35 vers ce dernier. On arrive ainsi à ce que les rovings se déposent sous forme de boucles ou lacets sur le substrat porteur. Celui-ci les conduit sous forme de nappe desserrée 72 04357 2124597 et bouffante imprégnée de rc3ine au uoyau d'enroulement, de sorte quo leo fibres, lors de l'application sur le mandrin d'enroulemeutt sont orientées dans leur posi». tion plus en direction axiale c ompar a t ivemen t aux procédés déjà connus. De préférence, on utilise conme substrat porteur des rovings pour l'enrou-_5 lement périphérique. Ceci veut dire que les rovings alimentés par le procédé d'enroulement périphérique en usage jusqu'ici servent en même temps de substrat porteur. Evidemment, on peut aussi employer une bande sans fin entourante comme substrat porteur. Il est difficile seulement de maintenir cette-bande exempte de résine dans une certaine mesure. On peut aussi employer une feuille imprégnable de 10 résine ou une bande de papier comme substrat porteur, celle-ci étant alors enroulée aussi sur le mandrin d1enroulement. Suivant un autre développement du procédé conforme à l'invention, les rovings sans fin sont déplacés suivant un mouvement de va-et-vient avant l'alimentation au substrat porteur, perpendiculairement à celui-ci. On produit ainsi un dé-15 pôt en méandre et de ce fait, les diverses boucles peuvent se placer presque parallèlement à la direction axiale du mandrin d'enroulement, -'•ci, par le choix de la vitesse d'alimentation des rovings sans fin ou par le choix de la largeur et de la fréquence du mouvement de va-et-vient, l'homme de métier est en mesure d'appliquer un paquet ^lus ou moins dense de matière fibreuse sur le noyau d'enroule-20 ment. Suivant une autre forme d'exécution avantageuse du procédé conforme à l'invention, on déploie les rovings avant le dépôt sur le substrat porteur. Ceci se fait de préférence par un courant dVair ou bien par un chargement électrostatique. o Le déploiement cause un dépôt statistiquement en désordre, d'où l'on obtient un dépôt le plus homogène possible dans la direction périphérique et dans la direction axiale. Avec les mesures précitées, on peut régler à volonté des propriétés de résistance particulières. Au même but sert aussi un autre développement du procédé conforme à l'invention, à savoir que la vitesse d'alimentation des rovings sans fin au substrat 30 porteur est variée vers la direction périphérique du mandrin d'enroulement. De la même manière, le cas échéant, en plus du stade opératoire précité, la vitesse d'alimentation des rovings sans fin au substrat porteur peut être variée vers la direction longitudinale du mandrin d'enroulement. Par toutes ces mesures, on peut obtenir de manière simple, par rapport à 35 l'état déjà connu de la technique, un renforcement axial et aussi une teneur en résine supérieure à éO% en poids. En particulier, en faisant varier la vitesse d'alimentation dans la direction périphérique et dans la direction longitudinale, 72 04357 2124597 -5- on peut fabriquer des corps creux qui. dans leur paroi aux endroits sollicités de manière particulièrement forte, contiennent à volonté plus ou moins de matière fibreuse. Par conséquent, un montage optimum pour chaque espèce de charge devient possible. 5 L'appareil et l'exécution du procédé se caractérisent en ce,qu'en avant de l'appareil de support est interealée une station de dévidage pour un substrat porteur et en ce que sur le trajet du substrat porteur est agencé un dispositif' de transport pour rovings sans fin» De préférence, le substrat porteur se compose de rovings fibreux. Comae ces rovings fibreux servent en même temps d'enroulement 10 périphérique, le danger de salissement est considérablement diminué. Comme dispositif transporteur servent de préférence deux cylindres transporteurs entre lesquels les rovings sans fin sont prélevés d'une station de dévidage. La vitesse périphérique des cylindres transporteurs est de préférence réglable et supérieure à la vitesse périphérique du mandrin d'enroulement rotatif, les cylin-15 dres transporteurs sont agencés de préférence pour que les rovings transportés tombent des cylindres transporteurs sur le substrat porteur et y forment en l'occurrence des boucles ou lacets. Suivant une forme de réalisation particulière de l'appareil conforme à l'invention le dispositif transporteur est suivi d'un dispositif changeur ou bien 20 le dispositif transporteur est lui-même constitué supplémentairement comme un dispositif changeur. De préférence est intercalé à la suite du dispositif transporteur ou du dispositif changeur un dispositif de déploiement. Celui-ci produit un dépôt en désordre aussi homogène que possible des rovings sur le substrat porteur. Le dis-25 positif déployeur se compose par exemple d'une tuyère à jet d'air ou d'un dispositif d'ionisation. Dans le premier cas, le jet d'air produit untourbillonnement des divers fils des rovings et dans le second cas les fils individuels sont chargés électrostatiquement et se repoussent mutuellement. Suivant une autre forme de réalisation particulière, sur l'appareil d'en-30 roulement sont montés des contacts de commutation qui correspondent avec un dispositif de contrôle agissant sur la commande du dispositif de transport. En tant que contacts de commutation convient par exemple un disque de forme monté sur l'axe, agissant sur un poussoir qui, par un potentiomètre et un amplificateur, actionne le moteur à courant continu du dispositif transporteur. Ces disques de 35 forme sont échangeables en sorte que, sans de longues durées de montage, soient obtenables des tubes à nature différente de paroi. Pour la modification de la teneur en fibres en direction longitudinale, on peut employer au lieu d'un disque 72 04357 2124597 de forme une barrs de forme Dans le dessin5 on r^pré3en.l:e de manière purement schématique 1* appareil conforme à l'invention à l'aide d;uix exemple de réalisation et celui-ci est il-5 lustré ci-après plus en détail ou relation avec le procédé conforme à 1r invention. La figure 1 montre l'appareil conforme à 1:invention en vue latérale schématique; la figure 2 montre une coupe suivant la ligne A-A dans la figure 1 et les figures 3 à 5 différentes formes du dépôt des rovings fibreux sans fin sur le substrat porteur, vues d'en haut» 10 Dans les figures 1 et 2, on fait passer depuis une station de stockage 1 des rovings de fibres de verre 2 à travers un bac de trempage 3 où ils sont imprégnés avec une résine de polyester insaturé 4= Sur un élément de parcours hori® zontal 5 entre deux cylindres de guidage 6 sont déposés des rovings sans fin 7 sur les rovings 2 servant de substrat porteur. Les rovings 7 sont prélevés à une 15 station de rouleaux 8 par les cylindres transporteurs 9t 10» dont la vitesse périphérique, grâce à leur commande lls est supérieure à celle du mandrin d'enroulement 32, Las rovings 7 passent par un dispositif changeur 13 (figure 2). Ensuite, ils parviennent dans un dispositif de déploiement 14 qui se compose ici d'une tuyère à air. A la place de celle-ci on peut également employer un dispositif 20 d'ionisation pour le chargement électrostatique des fils. Les rovings porteurs 2 se déplacent alors conjointement avec les rovings 7 déposés sur eux en forme de nappe vers le mandrin d1 enroulement 12 à une vitesse correspondant à la vitesse périphérique du mandrin d'enroulement et y sont bobinées, en l'occurrence, les rovings porteurs 2 pressant les rovings 7 déposés en nappe sur le mandrin d'en-25 roulement 12. Sur l'axe d'enroulement 15 est agencé un disque de forme l6, coopérant avec un poussoir 17 lui déplace un potentiomètre 18 à la suite duquel est raccordé un amplificateur 3 9» Cet amplificateur fournit des impulsions au moteur de commande 11 des cylindres de transport 9» 10• Cette installation es+- désignée dans son ensemble par appareil de contrôle 20. 30 Dans la figure 3 les rovings 7 forment sur les rovings porteurs 2 lors du dépôt des lacets circulaires. Ceci se réalise par une syntonisation correspondante de la vitesse d'alimentation des rovings 7 rapport à la vitesse périphérique du mandrin d'enroulement 12. Un déploiement ne se produit pas ici. Dans la figure 4 les lacets des rovings 7 sont comprimés à plat, ce qui se 35 fait par une autre syntonisatioû de la vitesse d'alimentation des rovings 7 par rapport à la vitesse périphérique du mandrin d'enroulement 32. Ici, non plus, il ne se produit pas de tourbillonnement des fils individuels. 72 04357 "7- 2124597 La figura 5 montre finalement le uépCt typique en méanure des rovings 7 par le mouvement de va-et-vient aes rovings alimentés 7 au moyen du dispositif changeur 13. Pour la démonstration du nouveau proceaé, on va confronter quelques exem-5 pies. On confectionne aivers tubes ayant un diai.iètre de Jûû mm. Dans tous les cas, on utilise une résine de polyester insaturé, type 1120, suivant la norme DIN 16546; on la durcit à fruiçL avec 1 fa ae aiéthylaniline (à 10ji). et ae pâte de peroxyae de benzoylo (a^Ofa). On utilit-e des rovings de fibres de verre a 60 bouts. 10 .Exemple 1 Comme base ae comparaison, on confectionne un tube suivant ie proc-éue connu d'enroulement et on applique aans la dixection périphérique 24 rovmgb. li s'établit ainsi une teneur en verre juste au-dessus de 6050 en poids. La insistance dans 2 la airection périphérique du tube est ae 4700 kg-p/cm , da 2 15 par contre de 50 kg-p/cm seulement. lù-emule 2 Avec les mêmes rovings et la même résiné, on fabrique aes tubes suivant le procédé conforme à l'invention. Contrairement aux 24 précédents on utilise seulement 14 rovings comme substrat porteur. 3 rovings sont alimentés à une vitesse 20 périphérique qui est 13 lois plus ^i-anae lue la vitesse périphérique du manarm a'enroulement. Le poids de la nappe appliquée en désordre est donc 2,S fois plus grande que celui des rovings porteurs. Lors au dépOt des rovings en chute libre sur les rovings porteurs, on -btient une teneur en verre de 45% «n poias, une 2 2 résistance péx-iphérique ae 2500 kg-p/cm et une résistance axiale de 810 kg-p/cm 25 dans le tube. temple 3 On confectionne ie tube comme à l'èxemple 2, sauf que les rovings alimentés sont guidés par un courant a'air et ainsi déployés. On atteint ici une teneur en verre de 35/" en poias. Les résistances au tube sont ae 19o0 K^-p/cm^ aans la 30 direction périphérique et ae 550 ^g-p/cm dans la airection axiale. 72 04357 8 2124597 Mode de fabrica- poids de verre teneur en tion des rovings verre porteurs/poids de verre des rovings alimentés résistance en résistance en direction pé- direction axiale riphérique kg-p/cm kg-p/cm 10 uniquement en direction périphérique sans air avec air I/O 1/2,8 1/2,8 60,5 45 35 4700 2500 1980 50 810 550 15 Exemple 4 On fabrique en outre un tube pour l'emploi comme silo vertical. A cet effet, l'épaisseur de paroi est agrandie régulièrement en fonction de la longueur. Le support circule pendant tout le processus de fabrication à une vitesse d'avancement constante. La vitesse périphérique du mandrin d'enroulement est de 20 13,5 m/mn. 14 rovings servent de support, 4 rovings y sont fournis de manière dosée. La vitesse de transport des rovings alimentés est augmentée, par modification du nombre de tours des cylindres d'alimentation pendant le bobinage, chaque fois de 20 m/mn linéairement à 140m/mn. De cette manière, on a pu dans le cas de 8 couches bobinées augmenter l'épaisseur de paroi de 3,1 mm à 9,8 mm. 25 Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de -l'art aux dispositifs ou procédés qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. 72 04357 2124597 -9- HBTSRDICITIQKS 1. Procédé de fabrication de corps creux tels que des tubes et des récipients , à partir de.résines de réaction, par exemple de résines de polyesters insaturés ou de résines époxy, qui sont renforcées avec des fibres, par exemple 5 des fibres de verre, des fibres ma fcalliques, des fibres naturelles ou synthétiques, les fibres étant imprégnées avec la résine et enroulées sur un mandrin d'enroulement rotatif, caractérisé en ce qu'on alimente les fibres sous forme de rovings sans fin à une vitesse plus grande que la vitesse périphérique du mandrin d'enroulement sur un substrat porteur, qui les alimente, à une vitesse corres-10 pondant à la vitesse périphérique du mandrin d'enroulement,vers ce dernier. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise comme substrat porteur des rovings pour l'enroulement périphérique0 3. Procédé selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les rovings sans fin, avant l'alimentation au substrat porteur, sont déplacés transver- 15 salement à celui-ci en un mouvement de va-et-vient. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3« caractérisé en ce que les rovings alimentés sont déployés avant le dépôt. 5» Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4s caractérisé en ce que la vitesse d'alimentation des rovings sans fin au substrat porteur est 20 variée dans la direction périphérique du mandrin d'enroulement. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5» caractérisé en ce que la vitesse d'alimentation des rovings sans fin au substrat porteur est variée dans la direction longitudinale du mandrin d'enroulement. 7» Appareil pour la mise en oeuvre du procédé, consistant en un disposi— 25 tif d'enroulement à mandrin d'enroulement rotatif et en un dispositif d'imprégnation, caractérisé en ce que le dispositif d'imprégnation (3) est précédé d'une station de dévidage (l) pour un substrat porteur (2) et en ce que sur le parcours (5) du substrat porteur (2) est agencé un dispositif de transport (9, 10) pour les rovings sans fin (7)« 30 8. Appareil selon la revendication 7> caractérisé en ce que le substrat porteur (2) consiste en des rovings fibreux. Ç. Appareil selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, caractérisé en ce qu'après le dispositif de transport (9» 10) est intercalé un dispositif changeur (13). 35 10» Appareil selon la revendication 9» caractérisé en ce que le dispositif de transport (9, 10) est constitué comme un dispositif changeur. T 72 04357 2124597 -10- 11. Appareil selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que le dispositif de transport (9, 10 ) ou respectivement, le dispositif changeur (13) est suivi d'un dispositif de déploiement (14)» 12. Appareil selon l'une quelconque des revendications J à 11, caractérisé en ce que sur le dispositif d'enroulement (15) sont montés des. contacts de commutation (16) q.ui correspondent avec un dispositif de contrôle (20) agissant sur là commande (il) du dispositif de transport (9, 10).