Brevet FR2516441A1 — publié le 19830520

La présente invention concerne un procédé de fabrication de profilés minces comprenant des fibres con- tinues unidirectionnelles noyées dans une résine thermo- plastique. L'invention vise également une installation pour la mise en oeuvre de ce procédé et les profilés obtenus. On a déjà réalisé des profilés composites en résine thermoplastique renforcée de fibres continues, en soudant sous l'action de la chaleur deux films en résine thermoplastique de part et d'autre d'une nappe ou mèche de fils torsadés. Ce procédé présente l'inconvénient d'exiger l'emploi de fils textiles torsadés pour obtenir économique- ment un taux de renfort acceptable en résine De plus, la résistance à la fatigue de ces fils n'est pas fiable et ne permet pas d'obtenir une longue durée de vie pour les pro- filés en question. Le but de la présente invention est de réaliser des profilés fibresrésine présentant une haute teneur en fibres et d'excellentes caractéristiques mécaniques, parfai- tement stables dans le temps. Suivant l'invention, le procédé de fabrication de profilés minces comprenant des fibres continues unidirec- tionnelles noyées dans une résine thermoplastique est caractérisé par les étapes suivantes: on trempe une nappe continue de fibres préalable- ment écartées dans un bain de poudre de résine thermoplas- tique; on chauffe la nappe chargée de poudre de résine thermoplastique jusqu'à obtenir la fusion de cette der- nière; et on conforme à chaud la nappe de fibres enrobées de résine au profil désiré. Grâce à ce procédé, il est possible d'obtenir des profilés présentant plus de 50 % voire même plus de 70 % en poids de fibres, ce qui leur permet d'avoir une grande résistance à la traction, tout en étant suffisamment souples. De tels profilés sont particulièrement adaptés au frettage de corps creux (tubes ou réservoirs), comme décrit dans la demande de brevet français N O 80 20 666 du 26 septembre 1980 au nom de SPIE-BATIGNOLLES. Selon une version préférée du procédé, le bain de poudre est constitué par une suspension aqueuse de résine thermoplastique. Selon une autre version, le bain de poudre est constitué par un lit fluidisé de poudre de résine thermoplas- tique en suspension dans l'air. Selon un autre aspect de l'invention, l'installa- tion pour la mise en oeuvre du procédé précité est caracté- riséeen ce qu'elle comprend successivement: des moyens pour dérouler en continu une nappe de fibres; des moyens pour écarter les fibres de cette nappe; un bac renfermant un bain de poudre de résine thermoplastique; des moyens pour faire tremper la nappe dans le bain de ce bac; des moyens pour chauffer la nappe chargée de poudre de résine obtenue après trempage dans le bain, jusqu'à obtenir la fusion de cette dernière; et des moyens pour faire passer la nappe enrobée de résine fondue, entre deux rouleaux destinés à conformer cette nappe au profil désiré. D'autres particularités et avantages de l'inven- tion apparaîtront encore dans la description ci-après. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs: la figure 1 est un schéma montrant l'étape de déroulage de la nappe de fibres; la figure 2 est un schéma montrant l'étape de défibrage et d'imprégnation de la nappe de fibres; la figure 3 est un schéma montrant une variante de l'étape d'imprégnation, sur un lit fluidisé de poudre de résine; la figure 4 est un schéma montrant l'étape de chauffage de la nappe de fibres imprégnée de résine en poudre; la figure 5 est un schéma montrant l'étape de conformation du profilé, entre deux rouleaux; la figure 6 est une coupe à plus grande échelle suivant le plan VI-VI de la figure 5; la figure 7 est un schéma montrant l'étape de tirage et d'embobinage du profilé; la figure 8 est un schéma illustrant l'en- semble du procédé. Le principe de construction modulaire adopté pour la réalisation des deux ensembles d'installation décrits ci-après, sans être limitatif, a permis la mise au point séparée des différents modules. Il est bien évident que sur des bases identi- ques, une installation compacte et automatisée pourrait être conçue. Dans ces deux exemples d'installations, on retrouve les modules suivants: déroulage de la fibre de verre; défibrage/imprégnation; chauffage; conformation; refroidissement; tirage; embobinage. Seul le deuxième module est différent dans les deux exemples évoqués On ne décrira donc pas les deux installations séparément, mais chaque module successivement. A Module de déroulage de la fibre (voir figure 1). Les pelotes ou bobines (la) de fibres de verre l sont placées verticalement sur un plateau tournant 2 Le déroulage s'effectue par l'extérieur La nappe de fibres l passe dans un anneau de guidage 3, puis sous un barreau 4 qui peut être, par exemple, en téflon (PTFE) pour fina- lement être guidé par un autre anneau 5. Le barreau 4 est solidaire d'un bras 6 tournant par rapport à un axe 7 De l'autre côté de cet axe par rapport au barreau 4, un patin de frein 8 frotte sur le dessous du plateau 2. La disposition des anneaux 3 et 5 et du barreau 4 est telle que lorsque la tension de la nappe de fibres i augmente, le barreau 4 tend à remonter et à libérer le plateau 2. La tension de la nappe est déterminée par le rapport des bras de levier et par l'action d'un contre- poids 9 réglable Ce contre-poids peut être remplacé par un ressort ou tout autre système analogue. Ce module est identique pour toutes les bobines de nappes composant le profilé à fabriquer. Le système de régulation de la tension de la nappe peut évidemment être amélioré, par exemple, en remplaçant le frein mécanique par un frein électrique commandé par un potentiomètre actionné par le bras 6, la rotation de la bobine étant assurée par un moteur à vitesse variable. Une manière maintenant classique de déroulement de la nappe 1 est de tirer les fibres par l'intérieur, la bobine étant simplement posée sur un support fixe L'in- convénient de ce système est d'apporter une torsion de la nappe qui est néfaste dans cette application. Un système analogue à celui décrit précédemment peut être envisagé en positionnant l'axe de la bobine (la) horizontalement ou incliné avec un angle compris entre les deux positions horizontale et verticale. Mais les bobines peuvent être ovalisées ou comporter un balourd Il apparaît ainsi que le système vertical permet d'éliminer ces inconvénients, le poids propre de la bobine intervenant alors très peu. B Module de défibrage et d'imprégnation. a) par voie aqueuse (voir figure 2) Le défibrage de la nappe 1 est destiné à séparer les fibres collées les unes aux autres par l'ensimage. Cette opération est effectuée par les deux pre- miers barreaux 10 et 11 dont le diamètre dépend de celui de la fibre utilisée Le nombre des barreaux ou- rouleaux 10, 11, l'angle d'enroulement de la nappe de fibres 1 sur ces rouleaux sont déterminés par le degré de collage des fibres entre elles. Dans certains cas particuliers o le collage des fibres entre elles est très prononcé, un chauffage préala- ble ou simultané à l'action des rouleaux 10,11 peut être nécessaire Ce chauffage peut être réalisé par exemple à l'aide d'un jet d'air chaud, de lampes infrarouges ou tout autre moyen convenable. Le principe de l'opération d'imprégnation par voie aqueuse est de faire tremper les fibres pendant un temps déterminé dans la suspension de résine puis d'es- sorer le surplus de dispersion. Dans la réalisation de la figure 2, les fibres passent sur les rouleaux 10 et 11, le dernier étant immergé dans la dispersion Le rouleau 12 permet aux fibres de ressortir du bain pour passer entre les rouleaux essoreurs 13 et 14 Le rouleau 13 est appliqué sur les fibres imprégnées avec une force qui peut être réglée par action sur le ressort 15. Des butées réglables peuvent éventuellement déterminer un espace minimum entre les rouleaux 13 et 14. Afin d'assurer une imprégnation aussi constante que possi- ble des fibres, le bain 16 est maintenu à un niveau cons- tant, et la dispersion est en circulation constante. 251644 1 Cette circulation est assurée par la pompe 17 qui envoie le liquide dans le bain 16 à une extrémité. A l'autre extrémité, un déversoir 18 établit un niveau constant Le trop plein se vidange par gravité par l'écoulement 19 dans un bac de stockage 20 Dans ce der- nier, la dispersion est maintenue homogène grâce à l'agi- tation 21 La pompe 17 puise dans le bac 20. De nombreuses variantes pourraient être évoquées au niveau de la circulation et du stockage de la disper- sion Le système retenu même pourrait recevoir des amé- liorations, mais sa simplicité permet un nettoyage aisé et une grande fiabilité. De même l'essorage peut être effectué de diffé- rentes manières, notamment le rouleau 13 peut être rem- placé par une raclette élastique, ou bien les fibres im- prégnées peuvent passer dans une filière fixe qui calibre les fibres. On peut également envisager d'autres modes d'im- prégnation, par exemple, sous pression ou par un film de liquide alimenté par une pompe doseuse coulant sur les fibres continues par une goulotte. Le défibrage peut être effectué par un jet d'air comprimé ou par le passage dans un système de barreaux (fixes ou tournants) situé avant le système d'imprégnation. b) par voie sèche (voir figure 3) Le défibrage s'effectue d'une manière identique à celle décrite précédemment (rouleaux 10 et 11). La différence essentielle entre les deux modes d'imprégnation réside dans le fait que la résine au lieu d'être en suspension dans l'eau, se trouve en: suspension dans l'air En effet, le bain 16 est remplacé par un lit fluidisé 22 contenant de la résine en poudre en suspension dans un courant d'air chauffé ou non. L'air passant au travers d'un matériau poreux 23 est divisé en fins filets qui transforment la poudre en un fluide. La nappe de fibres 1 passe donc dans ce fluide. Entre les barreaux 12 et 14, un système vibrant 24 monté sur ressorts 25 permet de doser (en plus de la possibilité de jouer sur le temps de passage dans le fluide) la quanti- té de poudre emportée par les fibres. Une amélioration du système peut consister à alimenter en continu le lit fluidisé 22 Ceci peut être réalisé par exemple par un système à vis d'Archimède ou par un tapis vibrant. Lorsqu'un simple gainage de fibres doit être obtenu, il suffit, par exemple, d'humecter régulièrement la surface de la nappe par un moyen qui peut être une vaporisation fine d'eau ou un passage entre deux surfaces spongieuses La seule précaution à prendre est alors de ne pas défibrer la mèche Le système décrit précédemment peut alors être utilisé. c) module de chauffage (voir figure 4) Chaque module de chauffage (évaporation de l'eau en voie aqueuseeou fusion de la résine) est cons- titué de deux tubes infrarouges 26 chacun entouré d'un réflecteur 27. Ces modules sont alimentés au moyen d' un sys- tème électronique permettant de faire varier la tension appliquée aux bornes. Cinq modules identiques ont été réalisés. Chaque module peut être tourné de 900 suivant son grand axe. Le chauffage peut être effectué de différentes façons On citera à titre d'exemples: chauffage infrarouge par résistance bobinée autour d'un tube en silice dans lequel passe le produit; chauffage micro-ondes (cavité, méandres); chauffage mixte micro-ondes/infrarouges; chauffage par pertes diélectriques; 2-51644 1 chauffage par air chaud ou gaz chaud. Il est évident que l'on peut combiner les différents modes de chauffage afin d'obtenir le résul- tat désiré (évaporation ou fusion) avec la meilleure efficacité et le meilleur rendement possible. On peut également être amené, pour éviter l'oxydation de la résine, à effectuer le chauffage et surtout la fusion sous atmosphère neutre (azote, par exemple). La température de chauffage de la nappe de fibres 1 chargée de résine, est fonction en particulier de la température de fusion de la résine utilisée En général, cette température est supérieure d'une dizaine de degrés à cette température de fusion La chaleur- apportée lors du chauffage varie en fonction de la quan- tité de fibres et de résine à traiter par unité de temps. Cette chaleur dépend également des configurations géomé- triques respectives du produit à chauffer et du moyen de chauffage Dans certains cas, il y a avantage à faire varier la puissance du chauffage durant le temps d'expo- sition de la nappe de fibres 1 chargée de résine, notam- ment pour économiser l'énergie et/ou éviter l'oxydation de la résine. d) module de conformation (voir figures 5 et 6) Le but de cette opération est de calibrer la nappe lorsque la résine est fondue et de lui donner la forme désirée. A cette fin, on peut employer le système de la figure 5, composé d'un rouleau inférieur 28 simplement libre en rotation et d'un rouleau supérieur 29 également 29 a libre en rotation mais porté par un bras/articulé autour d'un axe 30 et lesté par une masse 31 réglable Le produit 1 à calibrer passe entre ces rouleaux Dans la coupe VI-VI (figure 6), on voit la nappe 1 dans la gorge du rouleau 28 et presséepar le rouleau 29. Le rouleau 29 peut porter la gorge et le rouleau 28 la partie male Ces rouleaux peuvent être remplacés par une simple filière dont la partie supérieure est mobile ou non Les rouleaux précités ou la filière peuvent être chauffés ou refroidis selon les besoins. Le système à rouleaux peut être suivi d'un sys- tème de filière fixe ou mobile dans certaines applica- tions, ou inversement, il peut le précéder. e) module de refroidissement Dans certains cas, un refroidissement forcé du produit est nécessaire immédiatement après sa conformation. Ce refroidissement peut être effectué en faisant passer le profilé 1 dans un tunnel 30 a (voir figure 8) dans lequel circule, à contre sens ou dans le même sens que le profilé, de l'air ou un gaz, tel que l'azote par exemple. On peut également envisager le refroidissement par de l'eau (pulvérisation, trempage) ou par tout fluide convenable. f) module de tirage Deux rouleaux ayant une partie femelle et une partie male identique à ceux employés pour la conformation sont employés. L'un de ces rouleaux est entraîné par un moto- réducteur à vitesse variable régulée. Ce module permet de tirer le profilé 1 à travers l'ensemble des modules décrits précédemment. Les deux rouleaux peuvent être motorisés On peut ainsi employer, par exemple, un entraîneur du type à chenilles caoutchoutées ou, dans certains cas, se servir du module suivant (embobinage) pour assurer la fonction tirage. g) module d'embobinage (figure 7) La réalisation de ce module dépend essentielle- ment du type de bobine employé (dimensions, masse, mode de prise) Le principe adopté dans l'exemple de réali- sation exposé, est représenté en figure 7. La bobine 32 est entraînée en rotation par un moto-réducteur à vitesse variable 33, commandé par un potentiomètre situé sur l pivot 34 d'un bras 35, à rouleau 36, appuyant sur le prof Ifé 1 et équilibré par un contre- poids 37. Ce système permet de régler la tension d'enrou- lement et d'absorber les variations dues à l'évolution du diamètre d'enroulement. De nombreuses améliorations peuvent être appor- tées au système décrit ci-dessus afin de le rendre auto- matique On peut également le compléter de sécurités. La figure 8 représente l'ensemble des modules de l'installation qui ont été décrits précédemment et leur enchaînement Les lettres A,B,C,D,E,F,G désignent respec- tivement les modules de déroulage, de défibrage-imprégna- tion, de chauffage, de conformation, de refroidissement, de tirage et d'embobinage. Dans l'exemple de réalisation des installations, les différents modules (sauf le déroulage et l'embobinage) ont été disposés en ligne sur un banc formé de deux pro- filés. Au lieu des fibres de verre, on peut utiliser des fibres d'amiante, de bore, de cabone,de poyamide(kev 1 ax)ou anakgue. La résine peut être du polyamide ou du polychlo- rure'de vinyle, du polycarbonate ou autre thermoplastique. Les profilés fibres-résines obtenus sont princi- palement destinés à la réalisation de frettage sur tubes ou réservoirs pour en augmenter la pression de service (brevet français N O 80 20 666 du 26 09 1980 au nom de SPIE-BATIGNOLLES). On donne ci-après un exemple numérique illus- trant le procédé conforme à l'invention. Produits de départ: 1) Fibres: nappe de fibres en verre E de 2400 tex ( 2,4 g/m), de section égale à 0,95 mm 2, le dia- mètre des fibres unitaires étant égal à 24 microns. Les fibres étaient protégées par un ensimage polyvalent et obtenues Par bobinage direct. 2) Résine: polyamide en poudre, de granulomé- trie comprise entre 5 et 25 microns ( 12 à 17 microns pour la majorité). La résine était colorée en noir par adjonction de poudre de carbone à raison de 4 % au maximum en poids, afin d'obtenir une meilleure absorption du rayonnement infrarouge, et améliorer la fluidisation des particules de polyamide. Caractéristiques de fonctionnement de l'instal- lation: débit d'air dans le lit fluidisé de poudre de résine: 1,8 à 2,2 Nm 3/h sous une pression de 0,5 à 1 bar; vitesse de déplacement de la nappe de fibres: 10 m/minute; température de chauffage (par rayonnement infrarouge): dans un premier four: 350 à 400 GC; dans un second four: 300 à 350 'C. Le profilé verre-résine 1 obtenu après passage entre les rouleaux conformateurs 28,29 avait une largeur de 7,5 mm, une épaisseur comprise entre 0,25 et 0,35 mm et une masse de 3,5 g par mètre linéaire La proportion pondérale de verre par rapport à la résine était égale à 70/30, ce qui correspond à une section verre/résine de 50/50 environ. Les essais de traction effectués, dans le sens de la longueur d'échantillons de profilé de 30 cm de long ont permis d'obtenir une résistance (ramenée à la section du verre) comprise entre 240 et 260 h bars. Dans l'installation la combinaison des modules de défibrage, d'imprégnation, de chauffage et de conforma- tion est essentielle Ces modules sont associés pour coopérer en vue d'un résultat commun c'est-à-dire l'obten- tion d'un profilé de résine et de fibres unidirectionnelles présentant des propriétés mécaniques remarquables. D'autres applications peuvent être envisagées telles que: la fabrication de tubes par bobinage sur mandrin ou sur membrane intérieure rigide servant de mandrin de bobinage et ensuite, de revêtement intérieur; la constitution de nappes souples de profilés côte à côte, les nappes étant ensuite empilées en croisant le sens des profilés et solidarisées par fusion entre des plateaux de presse pour réaliser des panneaux rigides de forme complexe (non plane). Une autre application ou utilisation intéressante de ces profilés est la fabrication d'articles moulés par extrusion ou injection Dans cette utilisation, les profilés sont découpés en éléments de petite longueur (quelques millimètres), qui sont ensuite fondus La masse fondue résultante est utilisée pour mouler les articles La bonne répartition des fibres dans la résine et le taux élevé de fibres permet d'obtenir des articles beaucoup plus performants que ceux obtenus avec les mélanges de résine et de fibres coupées utilisés actuellement. REVENDICATIONS 1 Procédé de fabrication de profilés minces comprenant des fibres continues unidirectionnelles noyées dans une résine thermoplastique, caractérisé par les éta- pes suivantes: on trempe une nappe continue ( 1) de fibres préalablement écartées dans un bain ( 16,22) de poudre de résine thermoplastique; on chauffe la nappe chargée de poudre de résine thermoplastique jusqu'à obtenir la fusion de cette der- nière; et on conforme à chaud la nappe de fibres enrobées de résine au profil désiré. 2 Procédé conforme à la revendication 1, carac- térisé en ce que le bain de poudre ( 16) est constitué par une suspension aqueuse de résine thermoplastique. 3 Procédé conforme à la revendication 1, carac- térisé en ce que le bain de poudre ( 22) est constitué par un lit fluidisé de poudre de résine thermoplastique en suspension dans l'air. 4 Procédé conforme à la revendication 1, carac- térisé en ce que les étapes précitées, sont suivies par une étape de refroidissement, de tirage et d'embobinage du profilé obtenu. 5 Installation pour la mise en oeuvre du procédé conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'elle comprend successivement: des moyens pour dérouler en continu une nappe de fibres ( 1); des moyens ( 10,11) pour écarter les fibres de cette nappe; un bac ( 16,22) renfermant un bain de poudre de résine thermoplastique; des moyens pour faire tremper la nappe dans le bain de ce bac; des moyens ( 26) pour chauffer la nappe chargée de poudre de résine obtenue après trempage dans le bain, jusqu'à obtenir la fusion de cette dernière; et des moyens pour faire passer la nappe enrobée de résine fondue, entre deux rouleaux ( 28,29) destinés à conformer cette nappe au profil désiré. 6 Installation conforme à la revendication 5, caractérisée en ce que le bac ( 16) contient une suspension aqueuse de résine et comprend des moyens ( 18,20,17) pour assurer un niveau constant de liquide dans ce bac. 7 Installation conforme à la revendication 5, caractérisée en ce que le bac ( 22) comprend des moyens ( 23) pour réaliser en son intérieur un lit fluidisé de poudre de résine en suspension dans de l'air. 8 Installation conforme à la revendication 5, caractérisée en ce que les rouleaux conformateurs ( 28,29) définissent entre eux, un passage dont la section est adaptée à celle désirée pour le profilé, l'un ( 29) de ces rouleaux comportant des moyens pour appliquer une pression déterminée sur le profilé à conformer. 9 Installation conforme à l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisée en ce qu'elle comprend une bobine dérouleuse (la) de nappe de fibre en amont et une bobine ( 32) en aval pour embobiner le profilé, cette dernière étant précédée par un tunnel de refroidissement ( 30 a) du profilé conformé et par des moyens de tirage ( 35,36,37) de ce profilé. Profilé mince comprenant des fibres continues unidirectionnelles liées par une résine thermoplastique, obtenu selon le procédé conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend au moins 50 % en poids et de préférence plus de 70 % en poids de fibres complètement enrobées dans la résine. 11 Profilé conforme à la revendication 10, caractérisé en ce que les fibres sont choisies parmi les suivantes: fibres de verre, d'amiante, de bore, de carbone, de polyamide ou analogue. 12 Profilé conforme à la revendication 10, caractérisé en ce que la résine thermoplastique est du polyamide du polychlorure de vinyle, du polycarbonate ou du polyester thermoplastique. 13 Utilisation du profilé conforme à l'une quel- conque des revendications 10 à 12, caractérisée en ce qu'il est découpé en éléments de petite longueur qui sont ensuite fondus, la masse fondue résultante étant utilisée pour mouler des articles en résine chargée de fibres.